מבוא

מערכות רכישת נתונים (DAQ) הן עמוד השדרה של יישומי מדידה ושליטה מודרניים, החל מתהליך תעשייתי ניטור ועד מכשיר ביו-רפואי.הדיוק והאמינות של מערכות אלה תלויים במידה רבה ביושרה של אותות אנלוגיים שנלקחו מחיישנים.בסביבות גורמות להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), לולאות קרקעיות ומקורות רעש אחרים, שמירה על נאמנות היא אתגר מתמשך.אחד משיטות המעגל היעילות ביותר עבור שימוש זה, תוך שיפור משמעותי של אותות של מערכת מדידה שונה של שימוש באפקטיביים שונים.

הבנה של מגברים שונים

(מגבר שונה) הוא מעגל ליניארי המייצר מתח פלט פרופורציה ביחס ההבדל בין שני מתחי הקלט שלו.זה שונה ביסודו מגבר יחיד, אשר מגבר בעל השפעה מסוימת, אשר מדגימה מתח המתייחס לקרקע משותפת.המפתח האופייני למגרן אחר (מגבר כפול) הוא היכולת שלו לדכא אותות המופיעים בו זמנית ובphase בשני קלטות - הידוע בשם אותות משותפים של CMD) אשר מוגדרים בדרך כלל כמגרש משותף (מסוג משותף של הנכס המשותף (מפול-מסוג משותף) אשר מוגדר כ-מסוג משותף (מסוג משותף (מסוג של CMD) אשר מוגדר כ-מסוג משותף (מסוג משותף (מצטבר) אשר מוגדר כ-מסוג של CMD.

מגבר שונה להתנצלות יכול להיות בנוי ממרכיבים דיסקרטיים (טרנסיסטורים, מתנגדים) או מגבר תפעולי משולב (op-amps) יישום מודרני מסתמכ בעיקר על דגימות דיוק בשל קלות השימוש, תכונות מותאמות וזמינות בחבילות קטנות.המגבר הפשוט ביותר בעל אופי חד-פעמי מורכב מארבעה מתנגדים מסודרים בתצורה של כל הזמן, כגון מגבלות מתוחכמות יותר, כגון רוחב פס מוגבל, לעתים קרובות יותר, תכונות מורכבות יותר, כגון מגבלות, מעצימות, ומגבלות קבועות, כגון מגבלות, מנוגדות יותר, מורכבות יותר, כגון מגבלות קבועות, ומגבלות קבועות יותר, כגון רוחב פס רחבות יותר, כגון מגבלות, מורכבות יותר, כגון מגבלות, או יותר, כגון מגבלות, תכונות מורכבות יותר, פגום.

דרישות עבור מערכות רכישת נתונים

תכנון מגבר שונה עבור מערכת DAQ דורש הערכה הוליסטית של כמה פרמטרים תלותיים.הפחתת כל היבט אחד יכול לחדד את הביצועים הכוללים, המוביל לשגיאות מדידה, טווח דינמי מופחת, או רצפת רעש מוגברת.

Input Impedance

ההפחתה של המגבר השונה חייבת להיות גבוהה מספיק כדי להימנע מטעינה מקור האות. חיישנים רבים, כגון thermocouples, מדחות, בדיקות pH, יש תנודות פלט גבוהות ויכולים רק להניע זרמים קטנים. a low קלט נמוך מעכבת ייצור אפקט מפיץ מתח, תוך העצמה של האות והשגת שגיאות.

Bandwidth ו- Slew Rate

רוחב הפס של המגבר חייב לעלות על רכיב התדירות המקסימלי של אות העניין. במערכות DAQ, זה כולל גם רוחב פס אותות חיישן וכל דרישות סינון נגד-aliasing. רוחב הפס הסגור של מגבר אחר נקבע על ידי אדמירל ה-Ep-F של אדסנסציה גבוהה (GBWP) ואת הרווח המוגדר. עבור תצורה גבוהה-גבפס רוחב פס, ירידה בהתאם לקצב דמים רחב מספיק.

ביצועים רעש

רעש במגברי גודל שונים מקורו של המדגם עצמו (רעש מתח, רעש נוכחי, רעש flicker רעש) ומרעש תרמי חיצוני לשמור על שלמות אות, רכיבים עם מפרט רעש נמוך חייב להיות נבחר. עבור יישומים מדויקים בתדר נמוך, דגימת מזהמים עם תדרי רעש נמוכים 1 / F הם הכרחיים.

Common-Mode Rejection Ratio (CMRR)

CMRR הוא אולי המאפיין החשוב ביותר עבור מגבר שונה בסביבות רועשות.זה מציין כמה המגבר דוחה מתחים נפוצים - כגון 50 / 60 הרץ קו כוח לחות, התערבות תדר רדיו (RFI), והבדלים פוטנציאליים קרקעיים. CMRR תלוי גם את הביצועים in-mp של CMR ו-Outride תואם ל-m-apivedrb-peri-sur-sur-sur-sur-R.

Power Supply Rejection Ratio (PSRR) ושיקולי אספקה

רעש על מסילות אספקת החשמל יכול להיות יחד לתוך פלט מגבר, degrading איכות אות. PSRR קוונטית את היכולת של המגבר לדחות וריאציות אספקה.שימוש ב הרגולטורים ייעודיים נמוך (LDO) רגולטורים, fer beads, ו decoupling capacitors ליד סיכות ה-mp הוא סטנדרטי עבור מערכות DAQ-operated, אספקת הנוכחית חייבת גם לנפח יכולות דינמית (R) קידוד-IO-S.

יציבות טמפרטורה ודפוסי

שינויים בטמפרטורות משפיעים על ערכים מנוגדים ומתחים של ספקטרום, המוביל להשגה וסחף.עבור מערכות הפועלות בטווחי טמפרטורה רחבים, רכיבים עם משככי טמפרטורה נמוכה (למשל, ±5 pm / מעלות C התנגדות) ו- חיתוך-bilized (au-zero) דגימות מומלץ.

אסטרטגיות ליישום עבור מגברי משנה

בחירת הטופולוגיה הנכונה ותצורה חיונית למפרט מערכת מפגש.שלושת המימושים הנפוצים ביותר הם המגבר הבודד-op-amp, המגבר התלת-פ-מדגם, והמגבר המגבר השונה לחלוטין.כל אחד יש יתרונות נפרדים ומסחר-offs.

יחיד-Op-Amp Differential Amplifier

המניפסט הקלאסי של ארבעה-resistor שונה מהאפקטים הוא הפתרון הפשוט והנמוך ביותר.תפקוד ההעברה שלו הוא Vout = (R2/R1)(V+-V- V-), בהנחה ש-R1=R3 ו-R2=R2=R4.D למרות הפשטות שלו, טופולוגיה זו סובלת מאימפולס נמוך (R1 + R3) ו-CM גרוע אם הם לא מתאימים בדיוק ל-0.01) רק ל- 0.

3-Op-Amp Instrumentation Amplifier

זהו הטופולוגיה הנפוצה ביותר עבור רכישת נתונים מדויקים.זה מורכב משני buffers קלט (op-amps A1 ו- A2) ואחריו הבדל מגבר (op-amp A3).ה buffers לספק מאוד גבוה מאוד עכבות קלט ומאפשרים להרוויח להגדיר עם אחד מתנגדים חיצוניים (RKin) את ההבדל משיג CM מעולה כי ניתן לשלב את ה- 100bpH2 עם מתאם מסחרי (I) 1C2.

קבל את ה-Bandwidth Trade-offs

ב- 3-op-amp IA, רווח מוגדר כ- G=1 + 2Rf / Rgain, שבו Rf הם המתנגדים משוב של buffers קלט. רווח גבוה מפחית את רוחב הפס בשל GBWP הסופי של השלבים ה- Op-amp. לדוגמה, AD8221 עם GBWP של 1.5Hz ב- 100 מספק רוחב פס של רק 15 k אם יש צורך רוחב פס רחב יותר, עשוי להיות מבוזר או יותר.

Amplifier (FDA)

מלא מגברי איכות שונים מספקים הן מערכות לא מונעות ומניעה, יצירת אות פלט שונה מאוזנת.אדריכלות זו מועילה במיוחד במערכות DAQ מהירות גבוהה ומערכות בעלות חתימה מעורבת שבו ניתן לקשר באופן ישיר לתוצר אנלוגי-to-דיגיטלי (ADC) עם קלטות שונות של ה- FDA מציעות דחייה משותפת, גבוהה, לינאריות, ויכולת מהירה כגון: HDD2D) שימוש בתוכנות סטנדרטיות.

היתרונות של מקבץ Amplifier ב DAQ Systems

הגדלת מעגלי מגבר שונים לתוך שרשרת רכישת נתונים מספקת מגוון של שיפורים כמותיים ואיכותיים:

  • (FLT:0) דחיית רעש סופריאור: FLT:1hil על ידי ביטול התערבות משותפת, מגברי משנה להפחית באופן דרמטי את ההשפעה של 50/60 הרץ לח, רעש מוטורי, ו איסוף רדיו- ⁇ .זה חשוב במיוחד בסביבות תעשייתיות עם מכונות כבדות או ריצות כבל ארוכות.
  • (FLT:0) דיוק אות: FLT:1 היכולת לחלץ את האות השונה האמיתי ממתחים נפוצים נפוצים מאוד מאפשר חיישנים כמו thermocouples ומדני זנים לייצר פלטים שניתן לייצר ללא צורך בשלבים חד-מדומים גבוהים אשר יגבירו רעש.
  • (FLT:0)Emrovated דינמי טווח: FLT:1 כי מרכיבים משותפים נדחו, המגבר יכול לפעול על פני טווח מתח רחב יותר ללא קידוד, ביעילות להגדיל את טווח דינמי הניתן על ידי המערכת.
  • (FLT:0Ground Loop Eliminatir: 1FLT:1 אות שונה לחלוטין שובר לולאות קרקעיות המתרחשות כאשר מצעים חיישן שונים מקרקע DAQ.זה קריטי במערכות מדידה מרובות נקודות ויישומים רגישים מרחוק.
  • (FLT:0) אמינות מערכת מבוזרת: FLT:1 עם רעש מופחת ודיוק משופר, מדידות ניתנות יותר לחזור על עצמם, מה שמוביל לשליטה טובה יותר של תהליכים, פחות אזעקה, וביטחון גבוה יותר בנתונים.
  • (FLT:0)Simplified כרובלינג: FLT:1; כבלים טוויד-pair עבור אותות שונים רגישים פחות להתערבות מאשר כבלים קואקסיאליים, צמצום עלויות ההתקנה ושיפור העוצמה.

אתגרים וטכניקות מייגציה

למרות היתרונות שלהם, מגברי משנה מציגים כמה אתגרים עיצוב שיש לטפל בהם כדי להשיג ביצועים אופטימליים.

ביקורת: Resistor Mismatch and CMRR Degradation

המגבלה המעשית הגדולה ביותר ב-Desrete amplifiers היא חוסר התאמה של מתנגדים חיצוניים. A 1% לאות יכול להפחית CMRR ל-40-50 dB. Solutions כולל שימוש במערךים מנוגדים מדויקים, לזרז התנגדות עם לייזר או ידני רב-עוצמה, או להסתמך על מגברי מכשירים משולבים שבו נוגדנים קריטיים הם לייזרים על שבב גבוה, באמצעות עיצובים של ארבעה 0.01%, באמצעות ±רסיביים יעילים.

Input Bias Current and Offset

Op-amps דורש זרם הטיה קלט קטן זורם דרך המקור אימפולס, יצירת מתחים מפוספסים. עבור מקורות ריכוז גבוה, אפילו זרמי הטיה nanoampere יכולים לגרום שגיאות מילימטריות.שימוש FET-input אודג 'מפוס (למשל, OPA140, ADA4000) עם הטיה ב טווח picoampere מקטין את הבעיה זו עבור רזולוציה, נחשב להפחתה של תאים מתחת לטמפרטורה.

CMRR רול-off

בתדרים גבוהים (מעל כמה kHz), CMRR של רוב המגברים מדגימים עקב קפיאנטים קצבים parasitic ורווח פתוח מופחת.כדי לשמור על CMRR בתדרים גבוהים יותר, פריסה זהירה הוא הכרחי - מיניגמנט אורך, באמצעות טבעות שמירה הרץ, ולהימנע מהפיכה קפיבית בין קלטות.

ניהול חשמל ו-Thermal Management

לעתים קרובות, ביצועים גבוהים של הדגמות לצרוך זרם משמעותי של סקייטורד. במערכות DAQ מרובות ערוצים, זה יכול להוסיף, הדורש כיור חום או קירור אוויר מאולץ.לסלק מגברות כוח נמוך (< 1 מ"א לערוץ) עבור מכשירים מופעל סוללות הוא חיוני, אבל עצירות מסחר ברעש ובר רוחב פס חייב להיות מקובל.

דוגמה מעשית: Bridge Sensor Measurement

שקול יישום תא המטען טיפוסי באמצעות גשר מד מתח התנגדות.התפוק הגשר הוא מתח שונה על סדר של מילימטרים, superimposed על מתח משותף-מומד כי הוא חצי מתח הציטוט (למשל, 2.5 V עבור אספקת 5 Vigma) הוא מגבר שונה עם רווח של 100 ו CM

מסקנה

(המפתחת מעגלים שונים של מגבר) היא מיומנות בסיסית עבור מהנדסים מעצבים מערכות רכישה גבוהה של נתונים אינטגרטיבית (ITAL-integrity Data Acquisition Systems) בעת בחירת הטופולוגיה המתאימה – בין אם חד-פ-אמפ, שלושה-op-ampation Toolation amplifier, או מגבר בעל השפעה שונה לחלוטין – ולטפל באסטרטגיות של עיבוד מידע איכותיות כגון קידוד, רוחב פס, השקעה, ו-CMR, ניתן להשיג ביצועים חזקים יותר מאשר מדידה יעילה יותר, תוך כדי לחץ דם גבוה יותר, תוך כדי מתן מענה לשיטות יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של מערכת הפעלה של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של שיטות עיבוד של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של RMFSDFRMF.