- Co je to IC zesilovač instrumentace?
- Porozumění zesilovači instrumentace
- Rozdíl mezi diferenciálním zesilovačem a přístrojovým zesilovačem
- Přístrojový zesilovač využívající operační zesilovač (LM358)
- Simulace přístrojového zesilovače
- Testování obvodu zesilovače instrumentace na hardwaru
Téměř všechny typy snímačů a převodníků převádějí parametry reálného světa, jako je světlo, teplota, hmotnost atd., Na hodnoty napětí pro naše elektronické systémy, aby tomu rozuměly. Variace této úrovně napětí nám pomůže při analýze / měření parametrů reálného světa, ale v některých aplikacích, jako jsou biomedicínské senzory, je tato variace velmi malá (nízkoúrovňové signály) a je velmi důležité sledovat i minutové variace získejte spolehlivá data. V těchto aplikacích se používá přístrojový zesilovač.
Instrumentační zesilovač aka INO nebo zesilovače, jak název napovídá, zesiluje kolísání napětí a poskytuje diferenciální výstup jako všechny ostatní operační zesilovače. Ale na rozdíl od normálního zesilovače budou mít zesilovače instrumentace vysokou vstupní impedanci s dobrým ziskem a současně zajišťovat potlačení šumu v běžném režimu s plně diferenciálními vstupy. Je to v pořádku, pokud to teď nezískáte, v tomto článku se dozvíte o těchto instrumentačních zesilovačích a protože tyto IC jsou relativně drahé než operační zesilovače, naučíme se také, jak používat normální operační zesilovače jako LM385 nebo LM324 Přístrojový zesilovač a použijte jej pro naše aplikace. Operační zesilovače lze také použít k vytvoření napěťového sčítače a obvodu pro odečítání napětí.
Co je to IC zesilovač instrumentace?
Kromě normálních operačních zesilovačů IC máme pro zesilovače instrumentace také speciální typ zesilovačů, jako je INA114 IC. Není to nic jiného než několik běžných operačních zesilovačů kombinovaných dohromady pro určité konkrétní aplikace. Abychom tomu porozuměli více, podívejme se na datový list INA114 pro jeho interní obvodové schéma.
Jak vidíte, IC přijímá dvě signální napětí V IN - a V IN +, pro lepší pochopení je nyní budeme považovat za V1 a V2. Výstupní napětí (V O) lze vypočítat pomocí vzorců
V O = G (V2 - V1)
Kde G je zisk operačního zesilovače a lze jej nastavit pomocí externího rezistoru R G a vypočítat pomocí níže uvedených vzorců
G = 1+ (50k Ω / RG)
Poznámka: Hodnota 50k ohm je použitelná pouze pro INA114 IC, protože používá rezistory 25k (25 + 25 = 50). Můžete vypočítat hodnotu pro ostatní obvody.
Takže v zásadě nyní, když se na to podíváte, zesilovač pouze poskytuje rozdíl mezi dvěma zdroji napětí se ziskem, který lze nastavit externím rezistorem. Zní to povědomě? Pokud ne, podívejte se na design diferenciálního zesilovače a vraťte se zpět.
Ano!, To je přesně to, co diferenciální zesilovač dělá, a pokud se podíváte blíže, můžete dokonce zjistit, že operační zesilovač A3 na výše uvedeném obrázku není nic jiného než obvod diferenciálního zesilovače. Laicky řečeno, instrumentační zesilovač je dalším druhem diferenciálního zesilovače, ale s více výhodami, jako je vysoká vstupní impedance a snadné ovládání zesílení atd. Tyto výhody spočívají v konstrukci dalších dvou operačních zesilovačů (A2 a A1), dozvíme se o tom více v dalším záhlaví.
Porozumění zesilovači instrumentace
Abychom plně pochopili zesilovač instrumentace, rozdělíme ho nahoře na smysluplné bloky, jak je znázorněno níže.
Jak vidíte, In-Amp je jen kombinací dvou obvodů bufferu op-amp a jednoho diferenciálního obvodu op-amp. Dozvěděli jsme se o obou těchto konstrukcích operačních zesilovačů jednotlivě, nyní uvidíme, jak jsou kombinovány, aby vytvořily diferenciální operační zesilovač.
Rozdíl mezi diferenciálním zesilovačem a přístrojovým zesilovačem
Jak navrhovat a používat diferenciální zesilovač jsme se již naučili v našem předchozím článku. Několik nevýhod diferenciálního zesilovače spočívá v tom, že má velmi nízkou vstupní impedanci kvůli vstupním rezistorům a má velmi nízkou CMRR kvůli vysokému zesílení společného režimu. Ty budou překonány v přístrojovém zesilovači kvůli vyrovnávacímu obvodu.
Také v diferenciálním zesilovači musíme změnit mnoho rezistorů, abychom změnili hodnotu zesílení zesilovače, ale v diferenciálním zesilovači můžeme ovládat zisk jednoduše úpravou jedné hodnoty odporu.
Přístrojový zesilovač využívající operační zesilovač (LM358)
Nyní pojďme sestavit praktický přístrojový zesilovač pomocí operačního zesilovače a zkontrolujte, jak funguje. Níže je uveden obvod zesilovače instrumentace op-amp, který používám.
Obvod vyžaduje tři operační zesilovače dohromady; Použil jsem dva integrované obvody LM358. LM358 je dvojitý operační zesilovač, který má dva operační zesilovače v jednom balení, takže je potřebujeme dva pro náš obvod. Podobně můžete také použít tři operační zesilovače LM741 s jedním balíčkem nebo jeden čtyřnásobný operační zesilovač LM324.
Ve výše uvedeném obvodu působí operační zesilovač U1: A a U1: B jako napěťová vyrovnávací paměť, což pomáhá dosáhnout vysoké vstupní impedance. Operační zesilovač U2: A funguje jako diferenciální operační zesilovač. Protože všechny rezistory diferenciálního operačního zesilovače jsou 10k, funguje jako diferenciální zesilovač jednotkového zisku, což znamená, že výstupní napětí bude rozdílem napětí mezi kolíky 3 a 2 na U2: A.
Výstupní napětí zesilovače obvodu přístrojové lze vypočítat pomocí níže vzorců.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Kde R = rezistor ocení obvod. Zde R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, což je 10k
Rg = Ziskový rezistor. Zde Rg = R1který je 22k.
Takže hodnota R a Rg rozhoduje o zisku zesilovače. Hodnotu zisku lze vypočítat pomocí
Zisk = (1+ (2R / Rg))
Simulace přístrojového zesilovače
Výše uvedený obvod při simulaci poskytuje následující výsledky.
Jak vidíte, vstupní napětí V1 je 2,8 V a V2 je 3,3 V. Hodnota R je 10k a hodnota Rg je 22k. Uvedení všech těchto hodnot do výše uvedených vzorců
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95V
Získáme hodnotu výstupního napětí 0,95 V, která odpovídá výše uvedené simulaci. Zisk výše uvedeného obvodu je tedy 1,9 a rozdíl napětí je 0,5V. Takže tento obvod bude v zásadě měřit rozdíl mezi vstupním napětím a vynásobí jej ziskem a vytvoří jej jako výstupní napětí.
Můžete si také všimnout, že se vstupní napětí V1 a V2 objevují na rezistoru Rg, což je způsobeno negativní zpětnou vazbou operačních zesilovačů U1: A a U1: B. Tím je zajištěno, že pokles napětí na Rg se rovná rozdílu napětí mezi V1 a V2, což způsobí protékání stejného množství proudu přes rezistory R5 a R6, čímž se napětí na kolíku 3 a kolíku 2 rovná na operačním zesilovači U2: A. Pokud měříte napětí před rezistory, můžete vidět skutečné výstupní napětí z operačních zesilovačů U1: A a U1: B, jejichž rozdíl se bude rovnat výstupnímu napětí, jak je znázorněno výše v simulaci.
Testování obvodu zesilovače instrumentace na hardwaru
Dostatek teorie umožňuje ve skutečnosti postavit stejný obvod na prkénku a měřit úrovně napětí. Moje nastavení připojení je uvedeno níže.
Použil jsem napájecí zdroj, který jsme postavili dříve. Tato deska může dodávat jak 5V, tak 3,3V. Používám 5V kolejnici k napájení svých operačních zesilovačů a 3,3 V jako vstupního napětí signálu V2. Druhé vstupní napětí V2 je pomocí mého RPS nastaveno na 2,8 V. Protože jsem také použil 10k rezistor pro R a 22k rezistor pro R1, zisk obvodu bude 1,9. Rozdílové napětí je 0,5 V a zesílení je 1,9, což nám dá 0,95 V jako výstupní napětí, které se měří a zobrazuje v obraze pomocí multimetru. Kompletní fungování přístrojového zesilovače obvodu je ukázat na videu odkazujeme níže.
Podobně můžete změnit hodnotu R1 a nastavit zisk podle potřeby pomocí výše popsaných vzorců. Vzhledem k tomu, že zisk tohoto zesilovače lze snadno ovládat pomocí jediného rezistoru, je často používán při ovládání hlasitosti audio obvodů.
Doufám, že jste obvodu porozuměli a bavilo vás učit se něco užitečného. Máte-li jakékoli dotazy, nechte je v sekci komentářů níže nebo použijte fórum pro rychlejší odpověď.