- Kaj je IC instrumentacijski ojačevalnik?
- Razumevanje instrumentacijskega ojačevalnika
- Razlika med diferencialnim ojačevalnikom in instrumentacijskim ojačevalnikom
- Instrumentacijski ojačevalnik z uporabo Op-amp (LM358)
- Simulacija instrumentacijskega ojačevalnika
- Testiranje vezja ojačevalnega instrumenta na strojni opremi
Skoraj vse vrste senzorjev in pretvornikov pretvarjajo resnične parametre, kot so svetloba, temperatura, teža itd., V vrednosti napetosti, da jih lahko razumejo naši elektronski sistemi. Sprememba tega nivoja napetosti nam bo pomagala pri analizi / merjenju realnih parametrov, toda v nekaterih aplikacijah, kot so biomedicinski senzorji, je ta sprememba zelo majhna (signali na nizki ravni) in zelo pomembno je, da spremljamo tudi najmanjše spremembe pridobite zanesljive podatke. V teh aplikacijah se uporablja instrumentacijski ojačevalnik.
Instrumentacijski ojačevalnik, imenovan INO ali ojačevalnik, kot že ime povečuje, spreminja napetost in zagotavlja diferenčni izhod kot kateri koli drugi op-ojačevalnik. Toda za razliko od običajnega ojačevalnika imajo ojačevalniki instrumentacije visoko vhodno impedanco z dobrim ojačanjem, hkrati pa zagotavljajo zavrnitev šuma v običajnem načinu s popolnoma diferencialnimi vhodi. V redu je, če ga ne dobite zdaj, v tem članku bomo izvedeli več o teh instrumentacijskih ojačevalnikih in ker so ti IC razmeroma dragi od op-ojačevalcev, se bomo naučili tudi uporabljati običajne ojačevalnike, kot sta LM385 ali LM324, za izdelavo Instrumentacijski ojačevalnik in ga uporabite za naše aplikacije. Op-ojačevalnike je mogoče uporabiti tudi za izdelavo vezja napetostnega seštevalnika in napetostnega odštevalnika.
Kaj je IC instrumentacijski ojačevalnik?
Poleg običajnih IC-ojačevalnikov imamo nekaj posebnih ojačevalnikov za ojačevalnike, kot je INA114 IC. Nič več kot le nekaj običajnih ojačevalnikov, kombiniranih skupaj za določene posebne aplikacije. Če želite razumeti več o tem, si oglejte tabelo INA114 za notranji diagram vezja.
Kot lahko vidite, da IC vzame dve signalni napetosti V IN - in V IN +, jih za lažje razumevanje od zdaj obravnavajte kot V1 in V2. Izhodno napetost (V O) lahko izračunamo s pomočjo formul
V O = G (V2 - V1)
Kje je G ojačanje op-amp-a in ga je mogoče nastaviti z zunanjim uporom R G in izračunati po spodnjih formulah
G = 1+ (50k Ω / RG)
Opomba: Vrednost 50k ohm velja samo za IC INA114, saj uporablja upore 25k (25 + 25 = 50). Vrednost lahko izračunate za druga vezja.
Torej v bistvu zdaj, če ga pogledate, In-amp samo zagotavlja razliko med dvema napetostnima viroma z ojačanjem, ki ga lahko nastavi zunanji upor. Se to sliši znano? Če ne, si oglejte zasnovo ojačevalnika diferenciala in se vrnite.
Da !, točno to počne diferenčni ojačevalnik in če si ga natančneje ogledate, lahko celo ugotovite, da op-amp A3 na zgornji sliki ni nič drugega kot vezje diferencialnega ojačevalnika. Tako laično gledano je Instrumentation-amp še ena vrsta diferencialnega ojačevalnika, vendar z več prednostmi, kot sta visoka vhodna impedanca in enostaven nadzor ojačanja itd. Te prednosti so posledica drugih dveh op-amp (A2 in A1) v zasnovi, o tem bomo izvedeli več v naslednjem naslovu.
Razumevanje instrumentacijskega ojačevalnika
Da bi v celoti razumeli ojačevalnik Instrumentation, razstavimo zgornjo sliko na smiselne bloke, kot je prikazano spodaj.
Kot lahko vidite, je In-Amp le kombinacija dveh Buffer op-amp vezij in enega diferencialnega op-amp vezja. O obeh zasnovah op-amp smo se naučili posamično, zdaj bomo videli, kako se kombinirajo in tvorijo diferencialni op-amp.
Razlika med diferencialnim ojačevalnikom in instrumentacijskim ojačevalnikom
Kako oblikovati in uporabljati diferencialni ojačevalnik smo se že naučili v prejšnjem članku. Nekaj bistvenih pomanjkljivosti diferencialnega ojačevalnika je, da ima zelo nizko vhodno impedanco zaradi vhodnih uporov in zelo nizek CMRR zaradi velikega skupnega modemskega ojačanja. Te bodo odpravljene v ojačevalniku instrumentacije zaradi vmesnega vezja.
Tudi v diferencialnem ojačevalniku moramo spremeniti veliko uporov, da spremenimo vrednost ojačanja ojačevalnika, v diferencialnem ojačevalniku pa lahko nadzorujemo ojačanje s preprosto nastavitvijo ene vrednosti upora.
Instrumentacijski ojačevalnik z uporabo Op-amp (LM358)
Zdaj pa zgradimo praktični ojačevalnik Instrumentation z uporabo op-amp-a in preverimo, kako deluje. Op-amp merilni ojačevalnik vezje, da sem z uporabo je naveden spodaj.
Vezje zahteva vse tri ojačevalnike skupaj; Uporabil sem dve IC-ji LM358. LM358 je dvopaketni ojačevalnik, to je, da ima dva op-ojačevalnika v enem paketu, zato jih potrebujemo dva za naše vezje. Podobno lahko uporabite tudi tri enoprostorniške ojačevalnike LM741 ali en štirikolesni ojačevalnik LM324.
V zgornjem vezju opcijski ojačevalnik U1: A in U1: B deluje kot napetostni vmesnik, kar pomaga doseči visoko vhodno impedanco. Op-amp U2: A deluje kot diferenčni op-amp. Ker so vsi upori diferencialnega ojačevalnika 10k, deluje kot diferenčni ojačevalnik z enotno ojačitvijo, kar pomeni, da bo izhodna napetost razlika napetosti med zatičem 3 in zatičem 2 U2: A.
Izhodna napetost Instrumentation ojačitvenim vezjem lahko izračunamo z uporabo spodaj formul.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Kje je R = vrednost upora vezja. Tu je R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, kar je 10k
Rg = ojačevalni upor. Tu je Rg = R1, kar je 22k.
Torej vrednost R in Rg določa dobiček ojačevalnika. Vrednost dobička lahko izračunamo z
Dobiček = (1+ (2R / Rg))
Simulacija instrumentacijskega ojačevalnika
Zgornje vezje pri simulaciji daje naslednje rezultate.
Kot vidite, je vhodna napetost V1 2,8 V in V2 3,3 V. Vrednost R je 10k, vrednost Rg pa 22k. Vse te vrednosti vnesemo v zgornje formule
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95V
Dobimo vrednost izhodne napetosti 0,95 V, kar ustreza zgornji simulaciji. Torej je dobiček zgornjega vezja 1,9, napetostna razlika pa 0,5V. Torej bo to vezje v osnovi izmerilo razliko med vhodnimi napetostmi in jo pomnožilo z ojačanjem in ustvarilo kot izhodno napetost.
Opazite lahko tudi, da se vhodna napetost V1 in V2 pojavita na uporu Rg, kar je posledica negativnih povratnih informacij op-ojačevalnika U1: A in U1: B. To zagotavlja, da je padec napetosti na Rg enak napetostni razliki med V1 in V2, zaradi česar skozi upori R5 in R6 teče enaka količina toka, zaradi česar je napetost na zatiču 3 in zatiču 2 enaka na op-amp U2: A. Če izmerite napetost pred upori, lahko vidite dejansko izhodno napetost iz ojačevalnika U1: A in U1: B, katerega razlika bo enaka izhodni napetosti, kot je prikazano zgoraj v simulaciji.
Testiranje vezja ojačevalnega instrumenta na strojni opremi
Dovolj teorije omogoča dejansko zgraditi isto vezje na plošči in izmeriti napetost. Moja nastavitev povezave je prikazana spodaj.
Uporabil sem napajalno ploščo, ki smo jo zgradili prej. Ta plošča lahko oddaja 5V in 3.3V. Za napajanje obeh op-ojačevalnikov in 3,3 V uporabljam tirnico 5V kot signalno vhodno napetost V2. Druga vhodna napetost V2 je z mojim RPS nastavljena na 2,8 V. Ker sem uporabil tudi 10k upor za R in 22k upor za R1, bo dobiček vezja 1,9. Razlika napetosti je 0,5 V, ojačanje pa 1,9, pri čemer dobimo 0,95 V kot izhodno napetost, ki jo z multimetrom izmerimo in prikažemo na sliki. Popolno delovanje instrumentacija ojačevalnika tokokroga je predstava v videu s povezavo spodaj.
Podobno lahko spremenite vrednost R1, da nastavite ojačanje, kot je potrebno, z uporabo zgoraj opisanih formul. Ker je ojačanje tega ojačevalnika mogoče zelo enostavno nadzorovati z enim uporom, se pogosto uporablja pri uravnavanju glasnosti zvočnih vezij.
Upam, da ste razumeli vezje in uživali v učenju česa koristnega. Če imate kakršna koli vprašanja, jih pustite v spodnjem oddelku za komentarje ali uporabite forum za hitrejši odziv.