Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak działa wzmacniacz pomiarowy (instrumentalny)?

ghost666 09 Paź 2019 17:47 1095 0
  • Wzmacniacz pomiarowy (tzw. instrumentalny - INA) jest bardzo specjalnym rodzajem wzmacniacza z wejściem różnicowym; jego głównym celem jest zapewnienie różnicowego wzmocnienia i wysokiego stopnia odrzucenia napięcia współbieżnego. Układy tego rodzaju oferują wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową; nowsze urządzenia będą także oferować niski poziom offsetu a także niski poziom szumu.

    Unikalna kombinacja wysokiego współczynnika odrzucenia napięcia współbieżnego (CMRR) i wysokiej dokładności sprawia, że wzmacniacze typu INA są szczególnie atrakcyjne w aplikacjach z niewielkimi budżetami błędów, takimi jak sterowniki silników, urządzenia do testowania akumulatorów, analogowe moduły wejściowe, urządzenia do testowania ekranów LCD czy medyczne systemy monitorowania stanu pacjenta. Aby zrozumieć, dlaczego układy te dobrze pasują do tych aplikacji, ważne jest, aby omówić, czym jest i jak działa tego rodzaju wzmacniacz.

    Najpierw omówmy to, czym jest wzmacniacz pomiarowy (INA). Ogólna definicja INA to obwód lub urządzenie wyposażone w od jednego do trzech wewnętrznych wzmacniaczy operacyjnych (op-ampów) w celu poprawy jakości sygnału i zwiększenia odrzucenia napięcia współbieżnego. Najbardziej popularnym typem INA jest konfiguracja trzech wzmacniaczy operacyjnych pokazana na rysunku 1. Tego rodzaju układ można zbudować z dyskretnych wzmacniaczy operacyjnych, ale dostępne są także układy scalone tego typu. Użycie zintegrowanego INA nie tylko pozwoli zaoszczędzić miejsce w projekcie, ale również zmniejszyć błędy wynikające z niedostatecznego CMRR.

    Istnieją trzy główne cechy wyróżniająca wzmacniacze INA:

    * Wzmocnienie można ustawić za pomocą jednego zewnętrznego rezystora,.
    * Stopień wejściowy jest wyposażony we wzmacniacze buforowe.
    * Stopień wyjściowy to tradycyjny wzmacniacz różnicowy.

    Zrozumienie tych trzech cech wzmacniaczy INA jest kluczem do zrozumienia, jak działa tego rodzaju wzmacniacz.

    Jak działa wzmacniacz pomiarowy (instrumentalny)?
    Rys.1. Schemat wewnętrzny wzmacniacza pomiarowego.


    Po pierwsze, trzeba wyjaśnić, dlaczego konfigurowanie wzmocnienia za pomocą zewnętrznego rezystora jest tak przydatne? Prawdziwe pytanie brzmi jednak: jak można twierdzić, że nie jest? Zamiast skomplikowanych pętli sprzężenia zwrotnego można zaoszczędzić miejsce w swoim projekcie na PCB, używając tylko jednego rezystora i jednego scalonego wzmacniacza INA.

    Kolejnym elementem, jaki można zakwestionować jest konieczność posiadania bufora wejściowego. Po co uwzględniać bufory wejściowe, skoro można po prostu wykorzystać zwykły wzmacniacz różnicowy? Są dwa główne powody. Czujniki i obwody sensorowe mogą mieć często bardzo wysoką impedancję wyjściową. Jeśli impedancja wyjściowa sensora jest zbyt wysoka, będzie ona dominować nad impedancja wejściowa wzmacniacza różnicowego. Nie są to popawne warunki pracy w tego rodzaju obwodzie. Projektanci często izolują wysoką impedancję za pomocą bufora. Ponieważ wzmacniacz operacyjny ma wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową, stopień buforowy musi znaleźć się przed wzmacniaczem różnicowym, aby umożliwić inżynierom na poziomie płytki drukowanej wykorzystanie dowolnego komponentu peryferyjnego/sensora wzmacniaczem pomiarowym. Innym powodem konieczności wykorzystania bufora wejściowego jest to, że umożliwia ono wygodne ustawienie wzmocnienie dla całego obwodu.

    Ostatnim blokiem INA jest wzmacniacz różnicowy. Jest to część wzmacniacza, która odrzuca napięcie współbieżne, obecne na obu wejściach. Ten blok odejmuje od siebie dwa sygnały wejściowe. W autonomicznym wzmacniaczu różnicowym R2 i R4 byłyby sobie równe, podobnie jak R1 i R3; te oporniki ustawiają wzmocnienie stopnia różnicowego. Ale we wzmacniaczach instrumentalnych wzmocnienie jest ustawiane przez stopień wejściowy, więc R1 do R4 są równe dla uzyskania wzmocnienia 1 V/V w tym stopniu. Równanie 1 wyraża wzmocnienie wzmacniacza różnicowego jako:

    $$G_{diff} = \frac {R_4} {R_3}$$ (1)

    Jeżeli R1 = R2 = R3 = R4 to Gdiff = 1. Dzięki temu do ustawienia wzmocnienia wystarczyt zmiana wartości rezystancji jednego elementu, opornika oznaczonego na rysunku 1 jako Rgain. Wartość wzmocnienia zależna jest od rezystancji R5. Możemy ją znaleźć w karcie katalogowej danego wzmacniacza pomiarowego.

    Na równaniu 2 zaprezentowano równanie opisujące wzmocnienie całego INA.

    $$G_{INA} = \frac {R_4} {R_3} + \frac {2 \times R_5} {R_{gain}} \rightarrow 1 + \frac {2 \times R_5} {R_{gain}}$$ (2)

    Wiedząc z czego składa się i czym się wyróżnia wzmacniacz pomiarowy, możemy zastanowić się, jakie są typowe aplikacje tego typu układu. INA oferują wysoką CMRR, co jest szczególnie przydatne w warunkach z wysokim poziomem szumu i tam, gdzie występuje duży sygnał współbieżny, obecny na obu pinach wejściowych wzmacniacza.

    Przyjrzyjmy się jeszcze jak taki wzmacniacz działa działa w opisie matematycznym.

    Sygnał wejściowy podawany jest na wejścia układów U2 to i U3, zgodnie z rysunkiem 1. Napięcia wejściowe rozłożyć można na dwie składowe – różnicową (Vdiff), czyli różnicę napięć pomiędzy wejściami i współbieżną (Vcm), czyli wspólny poziom napięcia, liczony względem masy układu. Na równania 3 i 4 opisano oba wejścia – odwracające (-) i nieodwracające (+) jako sumę napięcia współbieżnego i połowy napięcia różnicowego.

    $$V_{in-} = V_{cm} - \frac {V_{diff}} {2}$$ (3)
    $$V_{in+} = V_{cm} + \frac {V_{diff}} {2}$$ (4)

    Z kolei równania 5 oraz 6 opisują napięcia na wyjściu obu wzmacniaczy buforujących. Uwzględniają one wzmocnienie tego stopnia G.

    $$V_1 = V_{cm} - G \frac {V_{diff}} {2}$$ (5)
    $$V_2 = V_{cm} + G \frac {V_{diff}} {2}$$ (6)

    gdzie G jest takie samo dla obu gałęzi układu, jako że wartości rezystancji R5 i R6 są takie same w układzie wzmacniacza operacyjnego.

    Następnie napięcia V1 i V2 podawane są na stopień różnicowy, co opisuje równanie 7. Jeśli do tego równania podstawimy napięcia z równań 5 oraz [/6] to uzyskamy równanie 8, które wiąże napięcia różnicowe i współbieżne z napięciem wyjściowym.

    $$V_{out} = (V_2 - V_1) + V_{ref}$$ (7)
    $$V_{out} = (V_{cm} - G \frac {V_{diff}} {2}) - (V_{cm} - G \frac {V_{diff}} {2}) + V_{ref}$$ (8)

    Pierwszą rzeczą, którą można zauważyć analizując równanie 8, jest to, że składowe współbieżne się niwelują (zerują). Często napięcie odniesienia (Vref) ustawia się na potencjale masy, więc na wyjściu układu pozostaje tylko uzyskany sygnał różnicowy względem napięcia odniesienia. Poniższe obliczenia upraszczają równanie 8, do końcowego, idealnego równania.

    Finalnie, po opisanym przekształceniu równania 8 otrzymujemy:

    $$V_{out} = G \times V_{diff} + V_{ref}$$ (9)

    W idealnym świecie napięcie współbieżne nie przedostaje się w ogóle na wyjście.. W rzeczywistości występuje jednak pewien błąd CMRR. Jest on zdominowany przez niedopasowanie rezystorów, przede wszystkim w stopniu wzmacniacza różnicowego na wyjściu układu, ponieważ tam następuje odrzucenie napięcia współbieżnego. Dopasowywanie rezystorów jest bardziej precyzyjne w scalonych układach INA niż we wzmacniaczach operacyjnych zestawionych z elementów dyskretnych. Można zmniejszyć błędy CMRR, zwiększając wzmocnienie na stopniu wejściowym, ale dla niższych wzmocnień lepszym rozwiązaniem są układy scalone INA. Nawet przy błędach niedopasowania oporników, CMRR tego układu jest nadal wysoki.

    Ze względu na wysokie tłumienie sygnałów współbieżnych, INA świetnie nadają się do użycia, gdy potrzebna jest ekstrakcja precyzyjnych sygnałów w obecności wspólnego szumu. Na przykład:

    * W sterowaniu procesami przemysłowymi sterowniki przemysłowe często muszą wykonywać precyzyjne, powtarzalne zadania, w których nie ma miejsca na błędy. Szum w systemie przemysłowym może pochodzić z dowolnego miejsca, np. Z linii energetycznej. INA umożliwiają precyzję i tłumienie szumów współbieżnych, potrzebne do zmniejszenia błędów pomiarowych w maszynach.
    * W zastosowaniach medycznych każdy błąd pomiaru w elektrokardiogramach i innych systemach monitorowania stanu pacjenta może prowadzić do błędnej diagnozy. Mierzony sygnał mieści się w zakresie kilku miliwoltów przy obecnych zakłóceniach współbieżnych (np. przydźwięku sieciowym 50 Hz / 60 Hz). INA oferują błąd wzmocnienia wynoszący zaledwie 0,01% i napięcie offsetu w zakresie mikrowoltów. Tak wysoki poziom dokładności jest doskonały dla systemów monitorowania stanu pacjenta.
    * W przyrządach zasilanych bateryjnie, wymagających sygnałów asymetrycznych i czujników prądu dla baterii, INA mogą przekształcać różnicowy sygnał wejściowy w odniesiony do masy sygnał wyjściowy, jednocześnie pobierając niewielki prąd spoczynkowy.
    * W systemach pomiarowych INA doskonale nadają się do wykrywania i pomiaru prądu z różnych zastosowań czujników.
    * W sterownikach silników uzyskanie wysokiej dokładności, wymaga precyzyjnego pomiaru sygnałów. Wzmacniacz pomiarowy utrzymują niski offset i błąd wzmocnienia sygnałów różnicowych, co pozwala na uzyskanie dokładnego sprzężenia zwrotnego położenia.

    Wzmacniacze pomiarowe działają bardzo dobrze w aplikacji przekształcania sygnałów różnicowych na sygnały single-ended (asymetryczne, odniesione do masy). Sygnały single-ended wymagają tylko jednego przewodu, w stosunku do dwóch potrzebnych do transmisji symetrycznej, co oznacza, że wiele sygnałów single-ended odnosi się do tego samego poziomu (najczęściej poziomu masy). Zmniejsza to liczbę przewodów czy ścieżek w projekcie.

    Sygnały single-ended są praktyczne, ponieważ wiele aplikacji przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) wymaga do działania sygnału tego rodzaju. Z tego powodu wzmacniacze pomiarowe działają doskonale jako sterownik ADC dla systemów, które pobierają sygnał z czujnika z wyjściem różnicowym. Ponadto, przetworniki ADC nie mogą przyjmować na wejście wysokiego napięcia, obecnego nawet jako napięcie współbieżne; wzmacniacz INA rozwiązują i ten problem, redukując napięcie współbieżne do zera tak, aby ADC mógł bez problemu działać z danym sygnałem.

    Podsumowanie

    Wzmacniacze pomiarowe (INA) mają trzy główne cechy, które odróżniają je od innych typów wzmacniaczy. Charakterystyka ta obejmuje wzmocnienie konfigurowane z pomocą jednego, zewnętrznego rezystora, stopień z buforami wejściowymi i stopień wzmacniacza różnicowego na wyjściu. Te trzy cechy umożliwiają układom INA oferowanie wysokiego wzmocnienia sygnałów różnicowych przy jednoczesnym odrzuceniu napięć współbieżnych oraz zmniejszenie impedancji wejściowej i szumu wejściowego. Z tego powodu INA są szczególnie atrakcyjne w instrumentach i aplikacjach, które wymagają wysokiej precyzji w obecności dużego szumu i napięcia współbieżnego.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2019/08/09/what-is-an-instrumentation-amplifier

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9415 postów o ocenie 7062, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.