- Що таке мікросхема підсилювача інструментарію?
- Розуміння підсилювача інструментарію
- Різниця між диференціальним підсилювачем та інструментальним підсилювачем
- Інструментальний підсилювач з використанням Op-amp (LM358)
- Моделювання інструментального підсилювача
- Тестування схеми підсилювача інструментарію на апаратному забезпеченні
Майже всі типи датчиків і перетворювачів перетворюють реальні параметри, такі як світло, температура, вага тощо у значення напруги, щоб наші електронні системи могли це зрозуміти. Зміна цього рівня напруги допоможе нам в аналізі / вимірюванні параметрів реального світу, але в деяких додатках, таких як біомедичні датчики, ця варіація дуже мала (сигнали низького рівня), і дуже важливо відстежувати навіть хвилинні зміни до отримати надійні дані. У цих додатках використовується інструментальний підсилювач.
Інструментальний підсилювач, відомий як INO або підсилювачі, як випливає з назви, посилює зміну напруги і забезпечує диференціальний вихід, як і будь-які інші операційні підсилювачі. Але на відміну від звичайного підсилювача, підсилювачі інструментарію матимуть високий вхідний опір з хорошим коефіцієнтом посилення, забезпечуючи при цьому загальномодне пригнічення шуму з повністю диференціальними входами. Це нормально, якщо ви цього не отримаєте зараз, у цій статті ми дізнаємося про ці підсилювачі інструментарію, а оскільки ці мікросхеми відносно дорожчі за Op-підсилювачі, ми також дізнаємося, як використовувати звичайні Op-підсилювачі, такі як LM385 або LM324, для побудови Приладовий підсилювач і використовуйте його для наших додатків. Операційні підсилювачі також можуть бути використані для побудови схеми суматора напруги та схеми зменшення напруги.
Що таке мікросхема підсилювача інструментарію?
Окрім звичайних операційних підсилювачів IC, ми маємо кілька підсилювачів спеціального типу для підсилювачів приладів, таких як ICA INA114. Це не що інше, як кілька звичайних підсилювачів, об'єднаних разом для певних конкретних програм. Щоб зрозуміти більше про це, давайте заглянемо в таблицю даних INA114 для її внутрішньої електричної схеми.
Як ви можете бачити, ІС приймає дві напруги сигналу V IN - і V IN +, давайте розглянемо їх як V1 і V2 для зручності розуміння. Вихідну напругу (V O) можна розрахувати за формулами
V O = G (V2 - V1)
Де, G - коефіцієнт підсилення операційного підсилювача і може бути встановлений за допомогою зовнішнього резистора R G і розрахований за наведеними нижче формулами
G = 1+ (50 кОм / RG)
Примітка: Значення 50 кОм застосовується лише для мікросхеми INA114, оскільки воно використовує резистори 25 к (25 + 25 = 50). Ви можете розрахувати значення для інших схем відповідно.
Отже, в основному зараз, якщо поглянути на нього, вбудований підсилювач просто забезпечує різницю між двома джерелами напруги з коефіцієнтом підсилення, який можна встановити зовнішнім резистором. Це звучить знайомо? Якщо не поглянути на конструкцію диференціального підсилювача і повернутися.
Так !, це саме те, що робить диференціальний підсилювач, і якщо придивитися уважніше, то можна навіть виявити, що оп-підсилювач A3 на зображенні вище - це не що інше, як схема диференціального підсилювача. Отже, якщо говорити непрофесійно, інструментальний підсилювач - це ще один різновид диференціального підсилювача, але з більшою кількістю переваг, таких як високий вхідний опір і легке управління підсиленням тощо. Ці переваги обумовлені двома іншими операційними підсилювачами (A2 і A1) у конструкції, ми дізнаємось більше про це в наступному заголовку.
Розуміння підсилювача інструментарію
Щоб повністю зрозуміти підсилювач Instrumentation, давайте розберемо його, як показано нижче, на зображення, наведене вище.
Як бачите, In-Amp - це лише комбінація двох буферних схем підсилювача та однієї диференціальної схеми підсилювачів. Ми дізналися про обидва ці операційні підсилювачі окремо, тепер ми побачимо, як вони поєднуються, утворюючи диференціальний підсилювач.
Різниця між диференціальним підсилювачем та інструментальним підсилювачем
Про те, як розробити та використовувати диференціальний підсилювач, ми вже дізналися в нашій попередній статті. Небагато суттєвим недоліком диференціального підсилювача є те, що він має дуже низький вхідний опір через вхідні резистори і має дуже низький CMRR через високий коефіцієнт посилення в режимі. Вони будуть подолані в підсилювачі інструментарію через буферну схему.
Також в диференціальному підсилювачі нам потрібно змінити багато резисторів, щоб змінити значення коефіцієнта підсилення підсилювача, але в диференціальному підсилювачі ми можемо контролювати коефіцієнт підсилення, просто регулюючи одне значення резистора.
Інструментальний підсилювач з використанням Op-amp (LM358)
Тепер давайте побудуємо практичний підсилювач інструментарію за допомогою операційного підсилювача і перевіримо, як він працює. Схема підсилювача приладів операційного підсилювача, яку я використовую, подана нижче.
Схема вимагає трьох операційних підсилювачів разом; Я використав дві мікросхеми LM358. LM358 - це подвійний пакетний підсилювач, тобто він має два операційних підсилювача в одному корпусі, тому нам потрібні два з них для нашої схеми. Подібним чином ви також можете використовувати три однокомпонентних підсилювача LM741 або один чотирикутник операційного підсилювача LM324.
У вищезазначеній схемі операційний підсилювач U1: A та U1: B діє як буфер напруги, що допомагає досягти високого вхідного опору. Операційний підсилювач U2: A діє як диференціальний підсилювач. Оскільки всі резистори диференціального підсилювача дорівнюють 10k, він діє як диференціальний підсилювач коефіцієнта підсилення, тобто вихідна напруга буде різницею напруги між виводом 3 і виводом 2 U2: A.
Вихідна напруга схеми підсилювача Instrumentation може бути обчислено з використанням нижче формул.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Де, R = значення резистора ланцюга. Тут R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, що дорівнює 10k
Rg = резистор посилення. Тут Rg = R1, що дорівнює 22k.
Отже, значення R і Rg визначає коефіцієнт підсилення підсилювача. Значення виграшу можна обчислити за
Підсилення = (1+ (2R / Rg))
Моделювання інструментального підсилювача
Зазначена схема при моделюванні дає такі результати.
Як бачите, вхідні напруги V1 становлять 2,8 В, а V2 - 3,3 В. Значення R дорівнює 10k, а значення Rg дорівнює 22k. Помістивши всі ці значення у наведені вище формули
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V
Ми отримуємо значення вихідної напруги 0,95 В, що відповідає моделюванню вище. Отже, коефіцієнт підсилення вищезазначеної схеми дорівнює 1,9, а різниця напруг - 0,5 В. Отже, ця схема в основному буде вимірювати різницю між вхідними напругами і помножувати її на коефіцієнт підсилення і виробляти як вихідну напругу.
Ви також можете помітити, що вхідні напруги V1 і V2 з'являються на резисторі Rg, це пов'язано з негативним зворотним зв'язком підсилювача U1: A та U1: B. Це гарантує, що падіння напруги на Rg дорівнює різниці напруг між V1 і V2, що призводить до того, що рівна кількість струму протікає через резистори R5 і R6, роблячи напругу на виводі 3 і виводі 2 рівними на підсилювачі U2: A. Якщо виміряти напругу перед резисторами, ви зможете побачити фактичну вихідну напругу від підсилювача U1: A та U1: B, різниця яких буде дорівнювати вихідній напрузі, як показано вище в моделюванні.
Тестування схеми підсилювача інструментарію на апаратному забезпеченні
Досить теорії дозволяє насправді побудувати одну і ту ж схему на макетній панелі та виміряти рівні напруги. Налаштування мого з’єднання показано нижче.
Я використовував макет, який ми побудували раніше. Ця плата може подавати як 5 В, так і 3,3 В. Я використовую 5В-рейку для живлення своїх обох підсилювачів і 3,3В як вхідну напругу сигналу V2. Інша вхідна напруга V2 встановлена на 2,8 В за допомогою мого RPS. Оскільки я також використовував 10k резистор для R і 22k резистор для R1, коефіцієнт підсилення схеми буде 1,9. Різниця напруги становить 0,5 В, а коефіцієнт підсилення 1,9, продукт якого отримає 0,95 В як вихідну напругу, яка вимірюється та відображається на зображенні за допомогою мультиметра. Повна обробка інструментального підсилювача ланцюга показана в відео, пов'язане нижче.
Подібним чином ви можете змінити значення R1, щоб встановити коефіцієнт підсилення, як потрібно, використовуючи формули, обговорені вище. Оскільки коефіцієнт підсилення цього підсилювача можна дуже легко контролювати за допомогою одного резистора, він часто використовується для регулювання гучності звукових схем.
Сподіваюся, ви зрозуміли схему і вам сподобалось вивчати щось корисне. Якщо у вас виникли запитання, залиште їх у розділі коментарів нижче або скористайтесь форумом для швидшої відповіді.