Comprendere i circuiti di bridge

I circuiti di plancia sono strumenti fondamentali nell'ingegneria elettrica per la misurazione di impedizioni sconosciute con alta precisione. Il ponte classico di Wheatstone, composto da quattro braccia resistive disposti in una configurazione di diamante, rimane la topologia più comune. Quando il ponte è equilibrato, la tensione tra i due punti intermedi è zero, il che significa che il rapporto dei due resistenze su un lato differenzia il rapporto dall'altro.

Altri tipi di ponti includono i ponti Maxwell, Hay e Schering per la misurazione di induttanza e capacità, così come il doppio ponte Kelvin per le misurazioni a bassa resistenza. Indipendentemente dalla specifica topologia, tutti i circuiti di ponti condividono una sfida comune: la tensione di uscita differenziale è spesso molto piccola, sull'ordine di millivolt o microvolts, ed è generalmente sovrapposti su un grande segnale di tensione comune-modale.

Il ruolo degli amplificatori differenziali attivi

Gli amplificatori differenziali attivi, costruiti attorno agli amplificatori operativi (op-amps), sono specificamente progettati per amplificare la differenza tra due segnali di ingresso, rifiutando qualsiasi tensione comune a entrambi gli input. Questa proprietà, nota come rifiuto a movimento comune, è essenziale nelle misurazioni del ponte perché la tensione di eccitazione del ponte (ad esempio, 5 V o 10 V) appare come un segnale comune-modo agli input dell'amplificatore.

Principi fondamentali dell'amplificatore operativo

Un amplificatore differenziale utilizza tipicamente un singolo op-amp configurato come subtrattore con quattro resistenze di precisione.

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dove Rf] e R]i]] determinano il guadagno. In pratica, i veri op-amp hanno finito il rapporto di rifiuto comune-modo (CMRR), la tensione di offset di input e le correnti di bias che devono essere contabilizzate.

Parametri di prestazioni chiave

  • Rapto di iniezione comune-modifica (CMRR):[] Misura il modo in cui l'amplificatore rifiuta segnali identici su entrambi gli input.
  • Input Offset Tensione:[] Un piccolo errore DC che aggiunge al segnale differenziale.
  • Gain Bandwidth Product (GBWP):[] Determina l'intervallo di frequenza su cui l'amplificatore mantiene un guadagno stabile. Per le misurazioni del ponte DC, GBWP può essere modesto; per i segnali dinamici (ad esempio, vibrazione), è necessaria una maggiore larghezza di banda.
  • Densità del rumore:[[] Il rumore di bassa tensione di ingresso (nV/√Hz) è fondamentale per la risoluzione dei segnali a livello di microvolt. Le fasi di uscita a velocità sono anche vantaggiose per massimizzare l'intervallo dinamico quando si utilizzano sistemi a singolo rifornimento.

Implementare l'amplificatore in un circuito di Bridge

Selezione Topologia

Tuttavia, questa topologia ha bassa impedenza di ingresso e richiede una resistenza precisa che si adatta a ottenere un buon CMRR. Per prestazioni più elevate, è preferito un amplificatore di strumentazione (INA). INA utilizzano un'architettura a tre livelli: due amplificatori di buffer di ingresso offrono un'elevata impedenza e un amplificatore di differenza fornisce il guadagno finale e il rifiuto comune-modo.

Selezione dei componenti

  • Op-amp o INA:[] Scegli un dispositivo con bassa offset, alta CMRR e larghezza di banda appropriata.Per sensori di ponti resistivi, un op-amp stabilizzato al elicottero minimizza la deriva.
  • Riscontri:[] Utilizzare resistenze di precisione in metallo-film con tolleranza ≤ 0,1% e coefficiente di temperatura basso (≤ 50 ppm/°C) per la rete di impostazione di guadagno.
  • Alimentazione:[] I rifornimenti puliti e regolamentati sono essenziali. Per gli strumenti a batteria, utilizzare regolatori a bassa goccia e condensatori di decoupling (0.1 μF e 10 μF) vicino ai perni di potenza dell'amplificatore.
  • Protezione dell'ingresso:[] resistenze della serie (1 kΩ – 10 kΩ) e diodi Schottky per limitare le correnti di errore del terreno e proteggere contro la sovratensione.

Considerazioni di layout PCB

Il rumore e la stabilità sono fortemente influenzati dal layout. Seguire queste linee guida:

  • Posizionare l'amplificatore il più vicino possibile al ponte per ridurre al minimo le lunghezze di traccia e ridurre le interferenze elettromagnetiche.
  • Usa un piano terra solido sotto l'amplificatore e il ponte. Se si utilizza un sistema di segnale misto, si separano i campi analogici e digitali e si collegano ad un unico punto.
  • Tenere traccia di feedback breve e evitare di instradare segnali digitali ad alta velocità vicino agli input dell'amplificatore.
  • Aggiungere anelli di guardia intorno nodi di ingresso ad alta impedenza per ridurre le correnti di perdita.

Esempio di progettazione pratica: Ponte di pietra di grano con un calibro di Strain

Un singolo estensimetro attivo con una resistenza nominale di 350 Ω è posto in un braccio, mentre tre resistenze di precisione di 350 Ω completano il ponte. La tensione di eccitazione è di 5 V. Sotto la massima tensione, la resistenza cambia dell'1%, producendo una tensione differenziale di circa 12,5 mV. Per amplificare questo a 2,5 V (scala completa per un ADC a 12 bit), è necessario un guadagno di 200.

Configurazione del circuito

Utilizzando un INA come l'AD8221, impostare il guadagno con un singolo resistore esterno (RG]). La formula di guadagno è G = 49.4 kΩ / R[]G[] + 1. La polarità degli input deve corrispondereplicare alla direzione

Procedura di calibrazione

  1. Senza sforzo applicato (ponte bilanciato), regolare il rifinito di offset (se disponibile) a zero l'uscita. Molti moderni INA includono un perno di riferimento; a terra il riferimento o l'applicazione di una tensione precisa imposta l'uscita zero.
  2. Applicare una calibrazione meccanica nota (ad esempio, una resistenza a shunt attraverso il manometro) per simulare un cambiamento di resistenza noto e verificare il guadagno.
  3. Misurare l'output con un voltmetro digitale o ADC. Calcolare il guadagno effettivo e regolare R[G] se necessario.
  4. Registra la deriva di uscita sulla temperatura e il tempo per compensare digitalmente se necessario.

Migliorare le prestazioni con il filtro attivo

Dopo l'amplificazione, il filtraggio supplementare può migliorare ulteriormente la qualità del segnale. Un filtro di secondo ordine a bassa portata con una frequenza di cutoff appena sopra la frequenza del segnale più alta riduce il rumore della banda larga e impedisce l'aliasamento nell'ADC. Il filtro può essere implementato con una topologia Sallen‐Key utilizzando lo stesso op-amp (se vengono utilizzati pacchetti dual/quad) o con un filtro dedicato IC.

Per applicazioni che richiedono isolamento (ad esempio, dispositivi medici o ambienti industriali ad alta tensione), un amplificatore isolato o un isolatore digitale devono essere posizionati dopo l'amplificatore differenziale.

Pitfalls e risoluzione dei problemi

  • Poor CMRR a causa di un errore di resistenza:[] Usare reti di resistenza con rapporti abbinati, o implementare un amplificatore di strumentazione con la regolazione laser interna.
  • Oscillazione:[] Causata da un eccessivo carico capacitivo sull'uscita o da un insufficiente decoupling. Aggiungete una piccola resistenza della serie (10 – 50 Ω) all'uscita o riducete la larghezza di banda di guadagno aggiungendo un condensatore di feedback.
  • Dalla deriva dell'offset:[] Se l'uscita cambia con la temperatura, assicurarsi che l'op-amp sia specificato per la bassa deriva e che il ponte sia bilanciato termicamente (ad esempio, calibri fittizi per la compensazione della temperatura).
  • Rilevamento rumore:[[]] Cavo di ingresso contorto-coppia e collegare lo scudo al suolo analogico solo ad un punto.

Applicazioni di amplificatori differenziali attivi nei ponti

Oltre agli estensimetri, gli amplificatori differenziali attivi sono utilizzati in:

  • Trasduttori di pressione:[ Sensori di ponti piezoresistivi per applicazioni automobilistiche e mediche.
  • Sensori termici:[] Rilevatori di temperatura di resistenza al platino (RTDs) in un ponte di Wheatstone.
  • Sensori di campo magnetici:[] Ponti di magnetoresistanza gigante (GMR) per il rilevamento di posizione e di rilevamento di corrente.
  • Scale di peso:[] Le celle di carico producono uscite di livello millivolt che richiedono un'amplificazione e una digitalizzazione di precisione.
  • Sensori di posizione angolari:[ Ponti a effetto Hall utilizzati nella commutazione a motore DC brushless.

Conclusioni

Gli amplificatori differenziali attivi sono indispensabili per estrarre segnali puliti e amplificati dai circuiti di bridge. Selezionando attentamente i componenti, in particolare l'amplificatore op-amp o strumentazione, resistenze e alimentazione, e seguendo rigorose pratiche di layout e calibrazione, gli ingegneri possono raggiungere risoluzioni di misura fino a microvolti. I principi discussi qui si applicano a una vasta gamma di sensori basati su ponti, rendendo l'amplificatore differenziale attivo un punto di strumentazione di precisione.