制造商和工程师:了解您的仪表放大器以实现准确的物联网数据采集

感知是物联网(IoT)和智能家居开始的地方,也是DIY爱好者,制造者甚至专业设计师遇到他们的第一个问题的地方。许多便宜的传感器,如加速计,力传感器,应变计和压力传感器都是围绕电阻惠斯登电桥设计的,因此它们的输出是毫伏(mV)区域的差分电压。
在进一步研究之前,需要准确捕获和放大这些低电平信号,使其与微处理器模数转换器(ADC)兼容,而不会引入直流失调和噪声。类似地,使用高端电流分流器检测电流需要放大器不具有以地为参考输入并且可以容忍大共模电压。
为确保捕获的数据准确无误,制造商和DIY用户需要熟悉仪器放大器(INA)。这是一个平衡差分放大器,具有易于控制的增益,低失调漂移和噪声消除特性。它是家庭控制应用中低成本换能器的天然附件。另外,如果有两个高阻抗输入不接地,它也适用于所有类型的浮动差分测量。
本文将介绍传感器到处理器的信号链以及放大器阶段对共模抑制,准确度和稳定性的需求。它将引入适当的传感器和INA以及如何使用它们。

压阻式传感器

最常用的换能器系列之一是那些使用压阻元件的换能器系列。这些用于测量应变,力,加速度和压力,仅举几个例子。
小型压阻元件连接到换能器的机械元件。这些元素可以是棒,板,弹簧或隔膜的形式。正在感测的期望参数导致机械结构变形。压敏电阻元件经历与感应参数成比例的应变,这改变了元件的电阻。
压电电阻元件的电阻通常是惠斯通电桥电路配置的一部分(图1)。如果电桥的输入电压固定,并且所有四个电阻具有相同的值,则该电桥被认为是平衡的,并且输出电压V OUT为零。
惠斯通电桥图
图1:在惠斯通电桥中,传感器通常是四个电阻元件之一。由于其电阻由于压力或其他力而变化,所以输出电压按比例变化。(图片来源:Digi-Key Electronics)
在图1中,R4代表换能器。压力或其他参数的变化会导致机械结构和电阻发生应变,从而改变压电电阻的电阻。这导致换能器的电阻从其标称值与所施加的压力成比例地变化。反过来,电桥的输出V OUT是与电阻变化成比例的电压,并因此与传感器元件的压力成比例。
注意V OUT位于名义上V IN的一半的电位是很重要的。这是共模信号电压。对于满量程电压跨度为50 mV的传感器,1%的电压增量为0.5 mV。如果这是2伏共模电平,那么为了解决电压变化,共模抑制比(CMRR)需要为72 dB。
的NXP半导体模型MPX2050DP是一个50千帕斯卡(7.5磅),双端口压力换能器,其提供了一个40 mV满量程输出信号电平(图2)。双端口配置允许测量差压或表压(以大气压为参考)。
恩智浦半导体MPX2050DP 7.5 psi压阻式双端口压力传感器的图片
图2:恩智浦半导体型号MPX2050DP是一款7.5 psi压阻式双端口压力传感器,具有40 mV满量程量程输出信号。(图片来源:恩智浦半导体)
商用换能器包含温度补偿网络,以确保换能器只响应所需的参数,而不会响应换能器环境的变化。
TE Con​​nectivity的 FX1901-0001-0050-L型压阻式压力传感器的压力范围为22.68 kgf(50 lbf)。该传感器测量力而不是压力,但使用与压力传感器类似的惠斯通电桥测量拓扑结构。它具有20 mV / V的灵敏度,因此对于5 V电源,满量程负载灵敏度为100 mV。
这些传感器之间的共同特点是它们的差分输出电平在毫伏范围内,这需要放大才能与ADC一起使用。这是仪表放大器(INA)的作用。

仪表放大器

INA是基于运算放大器(运算放大器)技术的差分放大器。它们具有差分输入和单端输出。由于它是一个差分放大器,因此它具有衰减共模信号的能力。其实现的程度是前面提到的被称为CMRR的规范。这使它非常适合在存在大共模信号或偏移时放大小信号。此外,INA的特点是稳定和准确的增益,可以很容易地调整,高输入阻抗和低输出阻抗。
有两种常见的电路拓扑用于INA。最普遍的是图3所示的三种运放设计。在这种电路配置中,放大器U1和U2是非反相输入缓冲器。他们喂U3,这是一个不同的放大器。INA的增益主要由电阻R G决定。参考输入通常在不使用时接地,用于控制输出失调电压电平。感测输入可用于改变输出差分放大器的增益。不使用时,它与差异阶段的输出相关联。
一个INA的三个运算放大器配置图
图3:INA的三个运算放大器配置通常具有比两个运算放大器更高的AC CMRR。增益由R G决定。(图片来源:Digi-Key Electronics)
使用两个运算放大器拓扑(图4)也可以减少运算放大器的数量。
两个运算放大器配置的INA图
图4:INA的两个运算放大器配置节省了成本和功耗。(图片来源Digi-Key Electronics)
该电路拓扑仅使用两个运算放大器,节省了成本和功耗。两个运算放大器电路的非对称配置可能会导致几个问题,限制电路的实用性。最值得注意的是,与三运放设计相比,它可能会降低AC CMRR。

集成的INAs

的德州仪器模型INA333AIDRGT是基于这三个运算放大器构成的INA的一个例子。它提供卓越DC规格的零漂移电路。使用一个外部电阻器可将增益设置为1至10,000。其增益大于100时,其CMRR为100 dB。它专为3.3 V至5 V工业应用而设计。带宽取决于增益,单位增益时最大带宽为150 kHz。
相比之下,德州仪器的型号INA332AIDGKR是一款宽带INA,基于经过修改的两个运算放大器模型,并具有额外增益级。根据单个外部电阻的值,增益可在5至1000之间调整。CMRR通常为73 dB。它具有2 MHz的显着更宽的带宽。
将INA集成到单片集成电路允许精确匹配有源和无源元件,保证更好地控制增益和CMRR(图5)。
德州仪器(TI)INA333和INA332仪表放大器的图表(点击放大)
图5:比较德州仪器INA333和INA332仪表放大器的简化原理图,显示两个和三个运算放大器INA拓扑的商业实现。(图片来源德州仪器)
图6中针对INA333的德州仪器参考设计显示了使用仪表放大器来支持惠斯通电桥传感器是多么简单。这种设计探讨了使用120Ω应变计作为有源换能器元件。该电路可应用于任何类型的惠斯通电桥传感器或传感器,并可在TINA TI SPICE仿真器中进行仿真。
使用德州仪器(TI)INA333的应变计放大器的TINA TI模拟图
图6:使用德州仪器INA333应变计放大器的TINA TI仿真示出了应变计(R SG)与120Ω的标称电阻和4.47伏中的R 10Ω摆动的读出范围SG。(图片来源:Digi-Key Electronics)
图中的应变计R sg的标称电阻为120Ω,可能在115Ω和125Ω之间变化。我们的目标是用一个具有0到5伏输入范围的ADC。
为此,放大器增益设置为1,001,参考电压为2.5伏。DC转换特性将INA的输出电压绘制为应变计电阻变化的函数。模拟中的光标读数显示了应变片电阻10Ω摆动时输出范围为4.47伏特。

高端电流感测

测量电流的最常用技术之一是使用低值电阻作为电流分流器。对于几个安培量级的电源测量,一个大约10毫欧姆(mΩ)的电阻将产生每安培10毫伏的电压降(图7)。
将分流电阻应用于高端电流检测的INA示意图
图7:在INA电压源和负载之间使用分流电阻(R SENSE)将INA用于高端电流检测。(图片来源Digi-Key Electronics)
如果电阻分流器位于负载和地之间,则称其为低端电流检测。将电源和负载之间的检测电阻称为高端电流检测。高端感应具有消除接地干扰的优势。它也允许检测负载接地故障。
高边电流感应确实需要仔细研究施加到仪表放大器的共模电压,这将在后面讨论。
如果R SENSE为10mΩ,那么5安培的电流摆幅将导致电阻上的50毫伏。将INA的增益调整到100将导致5伏的输出摆幅。

避免常见的INA问题

如前所述,重要的是要考虑INA的共模电压范围。考虑图6中的应变仪测量。INA采用单个5伏电源供电,简化了功率分配。如果参考输入接地,如同双电源操作一样,则输出摆幅以0伏为中心。由于INA输入都接近2.3伏,其输出将接近0伏,并且无法摆动到0伏参考电压以下。将感测输入提高到2.5伏,使输出电压接近2.5伏,使其能够在上方和下方摆动。
确保内部缓冲放大器在高增益下运行时不会饱和也很重要。考虑如果INA的输入为5 mV,增益为1000,会发生什么情况。在这种情况下,输入缓冲器的输出之间存在5伏的差异。如果INA从5伏电源供电,则其中一个缓冲器将处于饱和状态。幸运的是,像德州仪器这样的INA供应商提供应用程序('V CM vs. V OUT用于仪表放大器')来检查仪表放大器的共模范围。
最后的注意事项包括为INA输入提供地面回报。如果输入是交流耦合或连接到浮动设备(例如热电偶),则应将一个高值电阻从输入端接地以排除放大器的输入偏置电流。

结论

随着DIY和专业工程师很快发现,首先将传感器连接到物联网需要对如何从惠斯通电桥获取和放大低电平信号有很好的了解,然后再将其转换为使用ADC的数字域。
INAs是放大差分信号的理想选择。它们提供高增益,高共模抑制和高输入阻抗。由于它们有各种配置,因此了解它们的操作方式,关键规格以及使用它们时要注意什么非常重要。
 

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