- Какво представлява IC за усилвател на уреди?
- Разбиране на инструменталния усилвател
- Разлика между диференциалния усилвател и инструменталния усилвател
- Инструментален усилвател, използващ Op-amp (LM358)
- Симулация на инструментален усилвател
- Тестване на веригата за усилвател на прибори на хардуер
Почти всички видове сензори и преобразуватели преобразуват параметрите от реалния свят като светлина, температура, тегло и т.н. в стойности на напрежението, за да могат нашите електронни системи да го разберат. Промяната в това ниво на напрежение ще ни помогне при анализирането / измерването на параметрите от реалния свят, но в някои приложения като биомедицински сензори тази промяна е много малка (сигнали от ниско ниво) и е много важно да се следи дори минутната промяна до да получите надеждни данни. В тези приложения се използва инструментален усилвател.
Инструментарен усилвател, известен още като INO или усилватели, както подсказва името, усилва варирането в напрежението и осигурява диференциален изход като всеки друг операционен усилвател. Но за разлика от нормалния усилвател усилвателите на Instrumentation ще имат висок входен импеданс с добро усилване, като същевременно осигуряват отхвърляне на шума в общ режим с напълно диференциални входове. Добре е, ако не го получите сега, в тази статия ще научим за тези усилватели на инструментариума и тъй като тези интегрални схеми са сравнително скъпи от Op-усилвателите, ще научим и как да използваме нормални усилватели като LM385 или LM324, за да изградим Инструментарен усилвател и го използвайте за нашите приложения. Op-усилвателите могат също да се използват за изграждане на напрежение суматор и верига Subtractor напрежение.
Какво представлява IC за усилвател на уреди?
Освен нормалните интегрални усилватели с операционни усилватели имаме и специален тип усилватели за усилвател на приборите като INA114 IC. Това не е нищо повече от няколко нормални усилватели, комбинирани заедно за определени специфични приложения. За да разберете повече за това, нека разгледаме листа с данни на INA114 за неговата вътрешна електрическа схема.
Както можете да видите, IC взема две сигнални напрежения V IN - и V IN +, нека ги разглеждаме като V1 и V2 отсега за по-лесно разбиране. Изходното напрежение (V O) може да се изчисли, като се използват формулите
V O = G (V2 - V1)
Където G е усилването на операционния усилвател и може да се настрои с помощта на външния резистор R G и да се изчисли, като се използват формулите по-долу
G = 1+ (50k Ω / RG)
Забележка: Стойността 50k ома е приложима само за IC INA114, тъй като използва резистори от 25k (25 + 25 = 50). Можете да изчислите стойността съответно за други вериги.
Така че по принцип сега, ако го погледнете, In-amp просто осигурява разликата между два източника на напрежение с усилване, което може да се настрои от външен резистор. Звучи ли ви познато? Ако не погледнете дизайна на диференциалния усилвател и се върнете.
Да !, това е точно това, което прави диференциалният усилвател и ако погледнете отблизо, дори можете да установите, че оп-усилвателят A3 в горното изображение не е нищо друго освен схема на диференциален усилвател. Така че от гледна точка на неспециалисти, инструменталният усилвател е още един вид диференциален усилвател, но с повече предимства като висок входен импеданс и лесен контрол на усилването и т.н. Тези предимства се дължат на другите два операционни усилвателя (A2 и A1) в дизайна, ще научим повече за това в следващото заглавие.
Разбиране на инструменталния усилвател
За да разберем напълно усилвателя Instrumentation, нека го разделим на горното изображение на смислени блокове, както е показано по-долу.
Както можете да видите In-Amp е просто комбинация от две буферни оп-усилвателни вериги и една диференциална операционно-усилвателна верига. Научихме и за двата дизайна на тези операционни усилватели поотделно, сега ще видим как те се комбинират, за да образуват диференциален усилвател.
Разлика между диференциалния усилвател и инструменталния усилвател
Вече научихме как да проектираме и използваме диференциален усилвател в предишната ни статия. Малко съществен недостатък на диференциалния усилвател е, че той има много нисък входен импеданс поради входните резистори и има много нисък CMRR поради високия коефициент на усилване в общия режим. Те ще бъдат преодолени в усилвател на инструментариум поради буферната верига.
Също така в диференциалния усилвател трябва да сменим много резистори, за да променим стойността на усилването на усилвателя, но в диференциалния усилвател можем да контролираме печалбата, като просто регулираме една стойност на резистора.
Инструментален усилвател, използващ Op-amp (LM358)
Сега нека изградим практичен усилвател на инструментариум с помощта на оп-усилвател и проверим как работи. На оп-усилвател апаратура усилвател верига, че използвам е дадена по-долу.
Схемата изисква три операционни усилвателя заедно; Използвал съм две интегрални схеми LM358. LM358 е двойно пакетно усилвателно устройство, което означава, че има два операционни усилвателя в един пакет, така че се нуждаем от два от тях за нашата схема. По същия начин можете да използвате и три единични пакета LM741 операционен усилвател или един четириядрен пакет LM324 операционен усилвател.
В горната схема операционният усилвател U1: A и U1: B действа като буфер на напрежението, което помага за постигане на висок входен импеданс. Операционният усилвател U2: A действа като диференциален усилвател. Тъй като всички резистори на диференциалния усилвател са 10k, той действа като диференциален усилвател с единично усилване, което означава, че изходното напрежение ще бъде разликата в напрежението между щифт 3 и щифт 2 на U2: A.
На изходното напрежение на усилвателя верига апаратура може да се изчисли с помощта на по-долу формули.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Къде, R = стойността на резистора на веригата. Тук R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, което е 10k
Rg = усилващ резистор. Тук Rg = R1 което е 22k.
Така стойността на R и Rg решава печалбата на усилвателя. Стойността на печалбата може да бъде изчислена чрез
Печалба = (1+ (2R / Rg))
Симулация на инструментален усилвател
Горната схема при симулация дава следните резултати.
Както можете да видите, входните напрежения V1 са 2.8V и V2 са 3.3V. Стойността на R е 10k, а стойността на Rg е 22k. Поставяне на всички тези стойности в горните формули
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V
Получаваме стойността на изходното напрежение 0,95 V, което съвпада с горната симулация. Така че печалбата на горната верига е 1,9, а разликата в напрежението е 0,5V. Така че тази схема ще измери основно разликата между входните напрежения и ще я умножи с печалбата и ще я произведе като изходно напрежение.
Можете също така да забележите, че входното напрежение V1 и V2 се появява през резистора Rg, това се дължи на отрицателната обратна връзка на Op-усилвателя U1: A и U1: B. Това гарантира, че спадът на напрежението в Rg е равен на разликата в напрежението между V1 и V2, което води до протичане на равно количество ток през резистори R5 и R6, което прави напрежението на щифт 3 и щифт 2 равно на усилвателя U2: A. Ако измервате напрежението преди резистори, можете да видите действителното изходно напрежение от операционния усилвател U1: A и U1: B, чиято разлика ще бъде равна на изходното напрежение, както е показано по-горе в симулацията.
Тестване на веригата за усилвател на прибори на хардуер
Достатъчната теория позволява всъщност да изгради една и съща верига на макет и да измери нивата на напрежение. Настройката на връзката ми е показана по-долу.
Използвах захранването, което изградихме по-рано. Тази платка може да достави както 5V, така и 3.3V. Използвам 5V релса за захранване на двата операционни усилвателя и 3.3V като входно напрежение V2 на сигнала. Другото входно напрежение V2 е настроено на 2.8V, използвайки моя RPS. Тъй като също съм използвал 10k резистор за R и 22k резистор за R1, печалбата на веригата ще бъде 1.9. Различното напрежение е 0.5V, а коефициентът на усилване е 1.9, от което ще ни даде 0.95V като изходно напрежение, което се измерва и показва в изображението с помощта на мултиметър. Най- пълен вид обработка на апаратура усилвател схема е шоу във видеото връзка по-долу.
По същия начин можете да промените стойността на R1, за да настроите усилването според изискванията, използвайки формулите, обсъдени по-горе. Тъй като усилването на този усилвател може да се контролира много лесно с помощта на един резистор, той често се използва за контрол на силата на звука за аудио вериги.
Надявам се, че сте разбрали схемата и сте се радвали да научите нещо полезно. Ако имате въпроси, оставете ги в раздела за коментари по-долу или използвайте форума за по-бърз отговор.