Komentosiltapiirien ymmärtäminen

Siltapiirit ovat keskeisiä työkaluja sähkötekniikan mittaamiseen tuntemattomia impedanssit korkealla tarkkuudella. Klassinen Wheatstone silta, joka koostuu neljästä resistiivisestä aseesta, jotka on järjestetty timanttikonfiguraatiossa, pysyy yleisimpänä topologiana. Kun silta on tasapainossa, jännite kahden midpoints on nolla, mikä tarkoittaa kahden vastuksen suhdetta toisella puolella on suhde toiseen. Tämä ehto mahdollistaa tuntemattoman vastuksen johdetaan tunnetuista arvoista. Kuitenkin monissa käytännön sovelluksissa, siltaa käytetään tahallaan epätasapainoisessa tilassa, jossa pieni erotusjännite tuotetaan on suhteessa muutoksen mitattu määrä.

Muita siltatyyppejä ovat Maxwell, Hay ja Schering-sillat induktanssin ja kapasitanssin mittaamiseen sekä Kelvin-kaksinkertainen silta pienitehoisiin mittauksiin. Erityisestä topologiasta riippumatta kaikilla siltapiireillä on yhteinen haaste: differentiaalilähtöjännite on usein hyvin pieni, millivolttien tai mikrovolttien järjestyksessä, ja se on tyypillisesti asetettu suuren yhteisen moodin jännitteelle. Tämän signaalin tarkka irrottaminen vaatii korkean suorituskyvyn erotusvahvistimen.

Aktiivisten eriyttäjien rooli

Aktiiviset differentiaalivahvistimet, jotka on rakennettu toiminnallisten vahvistimien (op-amp) ympärille, on erityisesti suunniteltu vahvistamaan kahden tulosignaalin välistä eroa samalla kun hylkäämme kaikki molemmille syötteille yhteiset jännitteet. Tämä ominaisuus, joka tunnetaan yleistilan hylkäyksenä, on olennainen sillan mittauksissa, koska sillan jännite (esim. 5 V tai 10 V) näyttää olevan vahvistimen tuloissa yhteinen signaali. Ilman riittävää hylkäystä, yhteinen tilasignaali tyydyttäisi vahvistimen tai hukuttaisi pois pienen erotussignaalin.

Operatiivisen vahvistimen perusteet

Differentiaalivahvistin käyttää tyypillisesti yhtä op-amp konfiguroituna kuin vähennyskone neljä tarkkuusvastuksia. Ihanteellinen ulostulo on antanut:

]V[]out[] = (R[f[] / R]]i[[] × (V[]+[] .

jossa Rf ja R] määräävät voiton. Käytännössä todellisissa op-ampeissa on rajallinen yhteinen moodin hylkimissuhde (CMRR), tulooffset-jännite ja vinoviivat, jotka on otettava huomioon. Nykyaikaiset tarkkuusop-amplit, kuten Analogiset laitteet ADA4528 tai Texas-instrumentit OPA2188[, tarjoavat CMR-komponentteja yli 120 dB ja ultra-low-offset-ajoja, jolloin ne ovat ihanteellisia siltojen vahvistimille.

Tärkeimmät suorituskykyparametrit

  • Common-Mode Dylance Ratio (CMRR):[ Mitataan, kuinka hyvin vahvistin hylkää identtiset signaalit molemmista syötteistä. Korkea CMR (>100 dB) on tarpeen, jotta silta-induktio ei turmele mittausta.
  • Syöttökatkojännite:[ Pieni tasavirtavirhe, joka lisää erotussignaalia. Tarkkuusop-ampeilla on offset-jännitteet alle 10 μV.
  • Gain Bandwidth Product (GBWP):[ Määrittää taajuusalueen, jolla vahvistin ylläpitää vakaata voittoa. Tasavirtasillan mittauksissa GBWP voi olla vaatimaton; dynaamisissa signaaleja (esim. tärinää) varten tarvitaan suurempaa kaistanleveyttä.
  • Melutiheys:[ Matala tulojännitemelu (nV/...Hz) on ratkaisevan tärkeää mikrovolttitason signaalien ratkaisemiseksi. Raide-raide-lähtövaiheet ovat myös hyödyllisiä dynaamisen alueen maksimoimiseksi yhden syöttöjärjestelmän avulla.

Vahvistimet on pantava täytäntöön komentosillan kehässä

Topologian valinta

Yksinkertaisin toteutus käyttää yhtä op-amp differentiaalivahvistinta. Tämä topologia on kuitenkin alhainen impedanssi ja vaatii tarkan vastusottelun hyvän CMR:n saavuttamiseksi. Korkeamman suorituskyvyn saavuttamiseksi on suositeltavaa käyttää instrumenttivahvistinta (INA). INAs käyttää kolmiop-amp-arkkitehtuuria: kaksi sisääntulopuskurivahvistinta tarjoaa korkean impedanssin, ja erovahvistin tarjoaa lopullisen hyödyn ja yhteisen moodin hylkimisreaktion. Nykyaikainen integroitu INAs, kuten Analogiset laitteet AD8221, sisältävät laser-jännitteiset vastukset, jotka takaavat CMR:n yli 80 dB:n korkeilla voitoilla ja vähäisillä ulkoisilla osilla.

Osan valinta

  • Op-amp tai INA:[ Valitse laite, jossa on matala offset, korkea CMR, ja sopiva kaistanleveys. Resistiivisille silta-antuureille kopterin vakauttama op-amp minimoi ajelehtimisen.
  • Resistorit:[ Käytä tarkkuusmetallikalvovastuksia, joiden toleranssi on ≤ 0,1 prosenttia ja alhainen lämpötilakerroin (≤ 50 ppm/°C) palkintojen asetusverkossa. Virheelliset arvot suoraan hajoavat CMR:n.
  • Power Supply:[ Puhtaat, säännellyt lähteet ovat välttämättömiä. Akkukäyttöisille laitteille käytetään matalan pudotuksen säätimiä ja kytketään kondensaattorit (0,1 μF ja 10 μF) irti vahvistimen tehotappien läheisyydestä.
  • Syöttösuojaus:[ Sarjavastukset (1 kΩ . 10 k.) ja Schottky-diodit maan päälle rajaavat vikavirrat ja suojaavat ylijännitettä vastaan.

PCB:n asettelua koskevat näkökohdat

Layout vaikuttaa voimakkaasti meluun ja vakauteen.

  • Aseta vahvistin mahdollisimman lähelle siltaa, jotta jäljityspituudet pysyvät mahdollisimman pieninä ja sähkömagneettiset häiriöt vähenevät.
  • Käytä kiinteää maatasoa vahvistimen ja sillan alla. Erillinen analoginen ja digitaalinen paikkoja, jos käytetään sekasignaalijärjestelmää, ja liitä ne yhteen kohtaan.
  • Pidä palautteen reitit lyhyinä ja vältä reititys nopeisiin digitaalisiin signaaleja lähellä vahvistin tuloja.
  • Lisää suojarenkaat korkea-impedanssin tulosolmujen ympärille vuotovirtojen vähentämiseksi.

Käytännön suunnittelu Esimerkki: Wheatstone Bridge kanssa kanta-Guge

Harkitse neljännessillan kantamittaria. Yksi aktiivinen kantamittari, jonka nimellisvastus on 350 Ω, sijoitetaan yhteen käsivarteen, kun taas kolme 350 Ω tarkkuusvastusta täydentää siltaa. Jännitejännite on 5 V. Maksimipaineessa vastus muuttuu 1%, jolloin erotusjännite on noin 12,5 mV. Jotta tämä voidaan vahvistaa 2,5 V:ksi (täysimittainen 12-bittinen ADC), tarvitaan 200 prosentin voitto.

Virran asetukset

Käyttämällä INA kuten AD8221, asettaa voitto yhdellä ulkoisella vastus (R]G[). Saannin kaava on G = 49.4 kΩ / R]G[[]] + 1[]. Tulojen polaarisuuden on vastattava jännityksen suuntaa (kiristys/kompressio).

Kalibrointivaiheet

  1. Jos siltatasapainossa ei ole käytettyä kantaa, säädä offset-leikkaus (jos saatavilla) nollaan. Monissa nykyaikaisissa INA-järjestelmissä on vertailutapin; maadoitus tai tarkka jännite asettaa lähtö nollaan.
  2. Käytetään tunnettua mekaanista kalibrointia (esim. suntinvastusmittaria koko mittarin läpi) simuloidakseen tunnettua vastuksen muutosta ja varmentaakseen voitto.
  3. Mittaa tuloste digitaalisella volttimittarilla tai ADC:llä. Laske todellinen voitto ja säädä RG tarvittaessa.
  4. Tallenna lähtösiirtymä lämpötilaan ja aikaan, jotta se kompensoituu tarvittaessa digitaalisesti.

Suorituskyvyn parantaminen aktiivisella suodattimella

Lisäsuodatus voi vahvistimen jälkeen parantaa signaalin laatua. Toisen tilauksen matalan pass-suodattimen, jonka katkaisutaajuus on juuri yli korkeimman signaalitaajuuden, ansiosta laajakaistan melu vähenee ja estää peitenimen käytön ADC:ssä. Suodatin voidaan toteuttaa Sallen-Key-topologialla käyttäen samaa op-amppia (jos käytetään kaksois-/quad-paketteja) tai tarkoitukseen varatulla suodatin IC:llä. Erittäin matalataajuisten mittausten osalta kopterivakaistettu vahvistin, jota seuraa passiivinen RC-suodatin, riittää usein.

Eristyksen (esim. lääkinnälliset laitteet tai teollisuusympäristöt, joissa on korkea jännite) edellyttävissä sovelluksissa on asetettava erillinen vahvistin tai digitaalinen eristäjä erotusvahvistimen jälkeen. Tämä rikkoo maasilmukat ja suojaa mittauselektroniikkaa.

Yleiset jäljet ja vianmääritys

  • Vastustimen epäsuhdan vuoksi huono CMR: Käytä resistenttiverkkoja, joiden suhde on tasainen, tai toteuta instrumenttivahvistin sisäisellä laserleikkuulla.
  • Kiinnitys:[] Aiheuttaen liiallisesta kapasitiivisesta kuormituksesta tuotokseen tai riittämättömästä irrottamisesta. Lisää pieni sarjavastus (10 ... 50 Ω) ulostuloon tai vähennä kaistanleveyttä lisäämällä takaisinkytkentäkondensaattori.
  • Vähittäinen liukumäki:[ Jos lähtö muuttuu lämpötilan mukaan, varmista, että op-amp on määritetty matalalle liukumalle ja että silta on lämpötasapainossa (esim. lämpötilan kompensoinnin valemittarit).
  • Melun nouto:[ Kilpi väännetty parin tulojohdot ja liittää kilpi analogiseen maahan vain yhdessä kohdassa. Vältä reitittää tulojohdot lähellä kytkentä virtalähteet tai moottorit.

Sovellukset aktiivisia eriyttäjiä sillat

Straumamittareiden lisäksi käytetään aktiivisia erotusvahvistimia:

  • Paineanturit:[ Piezoresticive bridge sensors for automotive and medical applications.
  • termaaliset sensorit:[ Platinaresistentin lämpötilan ilmaisimet (RTD) wheatstone sillalla.
  • Magneettiset kenttäanturit:[ Jättiläismagnetaattorinkestävyys (GMR) siltoja virrantunnistus- ja paikanmääritystä varten.
  • Wigh-vaa'at:[ Lastauskennot tuottavat millivolttitason ulostuloja, jotka vaativat tarkkuusvahvistusta ja digitointia.
  • Angular position sensors:[] Hall-efekt siltoja käytetään harjattomassa DC moottori kommutation.

Päätelmät

Aktiiviset erotusvahvistimet ovat välttämättömiä puhtaiden, vahvojen signaalien poimimiseksi siltapiireistä. Valitsemalla huolellisesti komponentit. Erityisesti op-amp tai instrumenttivahvistin, vastukset ja virtalähde. Tiukan asettelun ja kalibrointikäytännön mukaisesti insinöörit voivat saavuttaa mittausresoluutioita mikrovoltteihin asti. Tässä käsitellyt periaatteet koskevat monenlaisia siltapohjaisia sensoreita, jolloin aktiivinen erotusvahvistin on tarkkuusinstrumentin kulmakivi. Kun anturitarkkuus vaatii lisää, ymmärrystä ja asianmukaista täytäntöönpanoa, nämä vahvistimet tulevat vielä kriittisemmiksi luotettavan järjestelmän suorituskyvyn kannalta.