- Što je IC-pojačalo za instrumentaciju?
- Razumijevanje instrumentacijskog pojačala
- Razlika između diferencijalnog pojačala i instrumentacijskog pojačala
- Instrumentacijsko pojačalo koje koristi Op-pojačalo (LM358)
- Simulacija instrumentacijskog pojačala
- Testiranje kruga instrumentalnog pojačala na hardveru
Gotovo sve vrste senzora i pretvarača pretvaraju stvarne parametre kao što su svjetlost, temperatura, težina itd. U naponske vrijednosti kako bi ih naši elektronički sustavi razumjeli. Varijacija ove razine napona pomoći će nam u analizi / mjerenju parametara iz stvarnog svijeta, ali u nekim je primjenama poput biomedicinskih senzora ta varijacija vrlo mala (signali niske razine) i vrlo je važno pratiti čak i minutne varijacije do dobiti pouzdane podatke. U tim se primjenama koristi instrumentacijsko pojačalo.
Instrumentacijsko pojačalo, poznato kao INO ili pojačala, kao što naziv govori, pojačava varijacije napona i daje diferencijalni izlaz kao i sva druga op-pojačala. No, za razliku od normalnog pojačala, pojačala s instrumentima imat će visoku ulaznu impedansu s dobrim pojačavanjem, istovremeno pružajući odbacivanje šuma u uobičajenom načinu rada s potpuno diferencijalnim ulazima. U redu je ako ga ne dobijete sada, u ovom ćemo članku saznati više o ovim Instrumentacijskim pojačalima, a budući da su ovi IC-i relativno skupi od op-pojačala, naučit ćemo i kako koristiti normalno pojačalo poput LM385 ili LM324 za izgradnju Instrumentacijsko pojačalo i koristite ga za naše primjene. Op-pojačala se također mogu koristiti za izgradnju sklopa napona zbrajanja i oduzimanja napona.
Što je IC-pojačalo za instrumentaciju?
Osim normalnih IC op-pojačala, imamo nekoliko posebnih vrsta pojačala za instrumentacijsko pojačalo poput INA114 IC. To je ništa više od nekoliko normalnih op-pojačala kombiniranih zajedno za određene specifične primjene. Da bismo razumjeli više o ovome, pogledajmo tablicu podataka INA114 za njezin unutarnji shematski krug.
Kao što vidite, IC uzima dva signalna napona V IN - i V IN +, odsad ćemo ih za lakše razumijevanje smatrati V1 i V2. Izlazni napon (V O) može se izračunati pomoću formula
V O = G (V2 - V1)
Gdje je G dobitak opcijskog pojačala i može se podesiti pomoću vanjskog otpora R G i izračunati pomoću donjih formula
G = 1+ (50 k Ω / RG)
Napomena: Vrijednost 50 k ohma primjenjiva je samo za INA114 IC jer koristi otpore od 25 k (25 + 25 = 50). Možete izračunati vrijednost za ostale krugove.
Dakle, u osnovi sada, ako ga pogledate, In-amp samo pruža razliku između dva izvora napona s pojačanjem koje može postaviti vanjski otpornik. Zvuči li ovo poznato? Ako ne, pogledajte dizajn diferencijalnog pojačala i vratite se.
Da !, to je upravo ono što radi diferencijalno pojačalo, a ako ga bolje pogledate, možete čak ustanoviti da op-pojačalo A3 na gornjoj slici nije ništa drugo do krug diferencijalnog pojačala. Dakle, laički rečeno, Instrumentation-amp je još jedna vrsta diferencijalnog pojačala, ali s više prednosti poput visoke ulazne impedancije i jednostavne kontrole pojačanja itd. Ove prednosti su zbog druga dva optička pojačala (A2 i A1) u dizajnu, o tome ćemo saznati više u sljedećem naslovu.
Razumijevanje instrumentacijskog pojačala
Da bismo u potpunosti razumjeli pojačalo Instrumentation, raščlanimo gornju sliku na smislene blokove kao što je prikazano dolje.
Kao što vidite , In-Amp je samo kombinacija dva Buffer op-amp kruga i jednog diferencijalnog op-amp kruga. O oba ova op-amp dizajna naučili smo pojedinačno, sada ćemo vidjeti kako se kombiniraju u diferencijalno opcijsko pojačalo.
Razlika između diferencijalnog pojačala i instrumentacijskog pojačala
Već smo naučili kako dizajnirati i koristiti diferencijalno pojačalo u našem prethodnom članku. Nekoliko značajnih nedostataka diferencijalnog pojačala je što ima vrlo nisku ulaznu impedansu zbog ulaznih otpornika i ima vrlo nizak CMRR zbog velikog pojačanja zajedničkog načina rada. Oni će se nadvladati u instrumentacijskom pojačalu zbog međuspremničkog kruga.
Također u diferencijalnom pojačalu trebamo promijeniti puno otpornika da bismo promijenili vrijednost pojačanja pojačala, ali u diferencijalnom pojačalu možemo kontrolirati pojačanje jednostavnim podešavanjem jedne vrijednosti otpora.
Instrumentacijsko pojačalo koje koristi Op-pojačalo (LM358)
Sada izgradimo praktično pojačalo za instrumentaciju pomoću opcijskog pojačala i provjerimo kako ono radi. Krug instrumentalnog pojačala op-amp kojeg koristim dan je u nastavku.
Sklop zahtijeva tri op-pojačala zajedno; Koristio sam dva IC-a LM358. LM358 je dvostruko opcijsko pojačalo, odnosno ima dva op-pojačala u jednom paketu, tako da su nam potrebna dva za naš krug. Slično tome, možete koristiti i tri jednostruka optička pojačala LM741 ili jedan četverokomponentni pojačavač LM324.
U gore navedenom krugu opcijsko pojačalo U1: A i U1: B djeluje kao naponski odbojnik što pomaže u postizanju visoke ulazne impedancije. Opcijsko pojačalo U2: A djeluje kao diferencijalno pojačalo. Budući da su svi otpornici diferencijalnog op-pojačala 10k, on djeluje kao diferencijalno pojačalo s pojačanjem jedinice, što znači da će izlazni napon biti razlika napona između pina 3 i pina 2 U2: A.
Izlazni napon pojačala krug Instrumentation može se izračunati pomoću dolje navedene formule.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Gdje je R = vrijednost otpora kruga. Ovdje je R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 što je 10k
Rg = pojačani otpornik. Ovdje je Rg = R1koje je 22k.
Dakle, vrijednost R i Rg odlučuje o pojačanju pojačala. Vrijednost dobitka može se izračunati pomoću
Dobitak = (1+ (2R / Rg))
Simulacija instrumentacijskog pojačala
Gornji sklop kada se simulira daje sljedeće rezultate.
Kao što vidite, ulazni naponi V1 su 2,8 V, a V2 3,3 V. Vrijednost R je 10k, a vrijednost Rg je 22k. Stavljanje svih ovih vrijednosti u gornje formule
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V
Dobivamo vrijednost izlaznog napona 0,95 V što odgovara gornjoj simulaciji. Dakle, dobitak gornjeg kruga je 1,9, a razlika napona je 0,5V. Dakle, ovaj će krug u osnovi izmjeriti razliku između ulaznih napona i pomnožiti ga s pojačanjem i proizvesti kao izlazni napon.
Također možete primijetiti da se ulazni napon V1 i V2 pojavljuje na otporniku Rg, to je zbog negativne povratne sprege Op-pojačala U1: A i U1: B. To osigurava da pad napona na Rg bude jednak razlici napona između V1 i V2 zbog čega jednaka količina struje teče kroz otpornike R5 i R6 čineći napon na pinu 3 i pinu 2 jednakim na op-pojačalu U2: A. Ako izmjerite napon prije otpornika, možete vidjeti stvarni izlazni napon opcijskog pojačala U1: A i U1: B čija će razlika biti jednaka izlaznom naponu kao što je prikazano gore u simulaciji.
Testiranje kruga instrumentalnog pojačala na hardveru
Dovoljna teorija omogućuje zapravo stvaranje istog kruga na ploči i mjerenje razine napona. Moja postavka veze prikazana je u nastavku.
Koristio sam napajanje koje smo ranije izgradili. Ova ploča može isporučiti i 5V i 3.3V. Koristim 5V šinu za napajanje svojih opcijskih pojačala i 3,3 V kao ulazni napon signala V2. Drugi ulazni napon V2 postavljen je na 2,8 V pomoću mog RPS-a. Budući da sam također koristio 10k otpornik za R i 22k otpornik za R1, dobitak kruga bit će 1,9. Razlika napona je 0,5 V, a pojačanje 1,9, što će nam dati 0,95 V kao izlazni napon koji se mjeri i prikazuje na slici pomoću multimetra. Kompletan radni instrumentacije pojačalo sklop je predstava u video vezom u nastavku.
Slično tome, možete promijeniti vrijednost R1 kako biste postavili pojačanje prema potrebi pomoću gore raspravljenih formula. Budući da se pojačanje ovog pojačala može vrlo lako kontrolirati jednim otpornikom, često se koristi u regulaciji glasnoće za audio krugove.
Nadam se da ste razumjeli sklop i uživali ste naučiti nešto korisno. Ako imate pitanja, ostavite ih u odjeljku za komentare u nastavku ili koristite forum za brži odgovor.