I contatori di segnale attivi costituiscono la colonna portante della strumentazione di laboratorio, consentendo agli ingegneri, ai tecnici e ai ricercatori di misurare le quantità elettriche con alta fedeltà.A differenza dei contatori passivi che si affidano esclusivamente ai meccanismi di deflettorazione o ai componenti passivi, i contatori attivi utilizzano amplificatori operativi (op amp) per amplificare, condizionare e linearizzare i segnali prima della lettura.

Il ruolo di amplificatori Op in Condizionamento Segnale per Metri

Gli amplificatori operativi servono come cuore dei contatori di segnale attivi perché offrono una combinazione quasi ideale di elevata impedenza di ingresso, bassa impedenza di uscita, alto guadagno a getto aperto e un eccellente rifiuto a movimento comune. Queste caratteristiche permettono al metro di estrarre piccole tensioni da sorgenti ad alta impedenza senza disturbare il circuito.

I parametri chiave op amp critici per le prestazioni del misuratore di segnale includono:

  • Input Bias Current[[ – Nelle misurazioni DC a basso livello, la corrente di bias che scorre attraverso la resistenza della sorgente crea un errore di tensione di offset. La scelta di un amplificatore FET-input op (ad esempio, TL072, OPA140) con correnti di picoamp bias riduce al minimo questo errore.
  • Input Offset Tensione e Drift[[[]] – Variazioni in offset con precisione di temperatura limite DC. Precisione op amplificatori come OP07 o ADA4522 offrono un basso offset iniziale e bassa deriva.
  • Densità del rumore[[ – Per i segnali a livello di microvolt, il rumore di tensione (nV/√Hz) e il rumore corrente (fA/√Hz) determinano il segnale misurabile più piccolo. L'LT1028 eccelle nel rumore a bassa tensione ma ha un rumore di corrente più alto; l'ADA4898-1 offre un equilibrio per sorgenti di impedenza moderata.
  • Gain Bandwidth Product (GBW)[ – Per i voltmetri AC o segnali ad alta velocità, sufficiente GBW garantisce un'amplificazione accurata senza errori di fase. Il NE5532 è una scelta classica di larghezza di banda; per una larghezza di banda più ampia, considerare l'LMH6629.

Principi di progettazione per i metri di segnale attivi

Il design di successo richiede un'attenta attenzione ai seguenti principi, ognuno dei quali esploriamo in dettaglio.

Strategia di selezione dell'amplificatore

Il processo di selezione inizia definendo l'intervallo di misura, l'accuratezza, la larghezza di banda e l'impedenza di sorgente. Per i voltmetri CC di laboratorio generici, un amplificatore bipolare a basso rumore, a basso raggio, come l'OP177G o il più moderno ADA4522-2 funziona bene.

Molti moderni amplificatori op operano su singole forniture tra 3 V e 5 V, che possono essere convenienti per i metri portatili o USB-based. Assicurare che l'uscita op amp può oscillare entro poche centinaia millivolts delle guide di alimentazione, o utilizzare tipi di uscita binario-rotola se necessario.

Progettazione di rete di feedback

Per una configurazione non invertente, il guadagno è G = 1 + Rf/Rg. Per una configurazione invertente, [GFFFFFFFFFF][[7]]

Nelle applicazioni che richiedono un guadagno molto elevato (ad esempio, 1000× per segnali microvolt), una rete T nel percorso di feedback può evitare di usare resistenze poco affilate. La rete T utilizza due resistenze in serie a terra e una terza resistenza all'uscita, moltiplicando efficacemente la resistenza al feedback.

Per precisione, utilizzare resistenze in metallo-film con coefficiente di temperatura basso (ad esempio, ±25 ppm/°C). Se il misuratore deve essere scambiato tra intervalli, utilizzare array di resistenza di precisione o resistenze a relè per mantenere la stabilità attraverso le letture.

Decoupling e messa a terra dell'alimentatore

Gli amplificatori Op richiedono alimentatori puliti per evitare di iniettare la ripple nel percorso del segnale. Posizionare i condensatori di ceramica da 0,1 μF il più vicino possibile ad ogni pin di alimentazione op amp, integrato da 10 μF elettrolitici o tantalum condensatori al punto di ingresso di alimentazione del bordo. Per forniture di divisione, utilizzare condensatori di bypass positivi e negativi separati.

Disposizione di calibrazione

Ogni progetto di misura attivo dovrebbe incorporare un mezzo di calibrazione. Il metodo più semplice utilizza un potenziometro trimmer nel percorso di feedback per regolare il guadagno, o un trimmer in serie con l'ingresso non invertente per annullare l'offset.Per una maggiore produttività, la calibrazione digitale utilizzando un DAC o un correttore basato su EEPROM (ad esempio, utilizzando un ADC esterno) consente il risarcimento del software.

Topologie del circuito per diversi tipi di misura

A seconda del tipo di segnale, tensione di riferimento, tensione differenziale, corrente o resistenza, diverse configurazioni di amplificatori op-amp servono lo scopo.

Amplificatore non invertente per segnali a terra

L'amplificatore non invertente offre un'elevata impedenza di ingresso (infinito) e un basso carico, rendendolo ideale per le misurazioni di tensione da fonti ad alta impedenza come un riferimento di tensione o un'uscita del sensore.

Amplificatore invertente per intervallo bipolare o esteso

L'amplificatore invertente fornisce un guadagno negativo e può essere vantaggioso quando il segnale di ingresso è bipolare e l'ADC richiede un intervallo unipolare (ad esempio 0-5 V). Con la somma di una tensione di riferimento all'ingresso non invertente, l'uscita può essere livellata. Inoltre, la configurazione invertente ha una tensione di movimento comune inferiore, rendendolo meno sensibile a determinati tipi di misura di rumore.

Amplificatore differenziale per misure di galleggiamento

Quando la sorgente del segnale non è riferita al suolo del contatore, un amplificatore differenziale elimina la tensione del movimento comune. Un amplificatore di strumentazione a due o più o un singolo amplificatore con quattro resistenze abbinate, può implementare un amplificatore differenziale. Il rapporto di rifiuto comune-modalità (CMRR) dipende direttamente dall'accoppiamento resistente; uno 0,01% dismatch degrada CMRR a circa 80 dB.

Per un amplificatore differenziale a singolo tipo, l'uscita è V]out] = (V+ − V−]]) × (Rf[FLT]

Convertitore di corrente a tensione

Per la misurazione della corrente, un amplificatore di transimpedenza (TIA) converte la corrente in una tensione proporzionale. L'ingresso non invertente dell'op amp è messa a terra, e la fonte corrente è collegata all'ingresso invertente.

Considerazioni avanzate per i Misuratori di Grata-Cassa

Tecniche di riduzione del rumore

Il rumore limita la risoluzione di qualsiasi misuratore di segnale. Le sorgenti di rumore principali sono il rumore di tensione di ingresso dell'amplificatore e il rumore di corrente, oltre al rumore termico delle resistenze di feedback.

  • Utilizzare i valori di resistenza più bassi possibili che ancora raggiungono il guadagno desiderato, coerente con i vincoli di carico.
  • Selezionare un amplificatore op con densità di rumore di tensione inferiore a 10 nV/√Hz per applicazioni di guadagno moderato.
  • Applicare un filtro a basso passaggio dopo l'amplificatore per limitare la larghezza di banda a solo ciò che è necessario per la misurazione.Per i contatori DC, un semplice filtro RC con una costante di tempo di 0,1 s a 1 s taglia in modo efficace 60 Hz.
  • Considerate l'utilizzo di un amplificatore stabilizzato per le misurazioni presso il DC, poiché cancella attivamente il rumore di offset e bassa frequenza (rumore 1 / f).
  • Scudo l'intero percorso di ingresso con un contenitore in metallo a terra e utilizzare cavi contorto-pair o coassiali alla fonte.

Per un trattamento approfondito del rumore dell'amplificatore, fare riferimento a [Analog Devices’ op amp noise analysis guide[].

Protezione dell'ingresso e manipolazione di sovratensioni

In laboratorio, l'applicazione accidentale di alte tensioni è comune. Proteggere l'ingresso op amp con resistenze serie (ad esempio, 1 kΩ a 10 kΩ) e diodi di bloccaggio alle guide di alimentazione. Diodi Schottky come il BAT54 hanno bassa tensione in avanti e il recupero veloce. Per transienti ad alta energia, aggiungere un soppressore di tensione transitorio (TVS) aumenta notevolmente la tensione diode attraverso la serie di in ingresso.

Considerazioni sulla larghezza di banda e sulla velocità

Per i voltmetri AC, il prodotto di larghezza di banda di guadagno dell'amplificatore deve essere almeno dieci volte la frequenza massima del segnale per mantenere la risposta piatta. Ad esempio, per misurare i segnali di 100 kHz con un guadagno di 10, selezionare un amplificatore op con GBW ≥ 10 MHz.

Integrazione con Convertitori Analog-Digital

I moderni contatori di laboratorio spesso sostituiscono i contatori analogici con display digitali. L'uscita op amp può guidare un ADC direttamente.

  • Campo di uscita: Scalare l'uscita op amp per abbinare l'intervallo di ingresso dell'ADC (ad esempio, 0–5 V per un ADC monofornito, o ±10 V per un ADC bipolare).
  • Capacità di guida: Alcuni ADC hanno capacità di ingresso relativamente elevata; l'amplificatore op deve essere stabile con questo carico. Utilizzare una piccola resistenza della serie (50 Ω a 100 Ω) all'uscita per isolare il carico capacitivo.
  • Filtro anti-aliasing: posizionare un semplice filtro RC a basso passaggio tra l'amplificatore op e l'ADC con una frequenza di angolo inferiore alla metà della frequenza di campionamento.
  • Riferimento: Per le misurazioni comparative, la tensione di riferimento dell’ADC può essere condivisa con la rete offset dell’op amp per migliorare l’accuratezza.

Una guida completa per l’interfacing op amp-ADC è disponibile da Nota di applicazione degli strumenti di Texas sulla guida ADCs.

Calibrazione e test nella pratica

Dopo aver costruito il misuratore di segnale, una procedura di calibrazione sistematica garantisce precisione. I seguenti passaggi si applicano a un design del voltmetro DC con un guadagno di 10:

  1. Accendere il circuito e permettere un periodo di riscaldamento di almeno 10 minuti per stabilizzare i gradienti termici.
  2. Breve l'ingresso a terra e misurare l'offset di uscita. Se supera i limiti accettabili, regolare il trimmer di offset (se presente) per portare l'output a zero.
  3. Applicare una sorgente di tensione di precisione (ad esempio, 100.00 mV da un calibratore come un Fluke 5700A) all'ingresso. Misurare l'uscita. L'uscita prevista è 1.000 V. Se non esatto, regolare un trimmer di guadagno di conseguenza.
  4. Applicare una seconda tensione (ad esempio 500.00 mV) e verificare la linearità. L'uscita dovrebbe essere di 5.000 V ± tolleranza dello standard di calibrazione.
  5. Per la calibrazione digitale, memorizzare i coefficienti di correzione nella memoria non volatile.

Per ulteriori dettagli sulle norme e procedure di calibrazione, vedere la pagina ] Servizi di calibrazione NIST[].

Conclusioni

Progettare contatori di segnale attivi con amplificatori operativi combina l'elettronica analogica fondamentale con un giudizio pratico di ingegneria. Selezionando l'amplificatore giusto per il dominio di misura, progettando la rete di feedback per il guadagno e la larghezza di banda richiesti, implementando sistemi di alimentazione e messa a terra adeguati, e incorporando caratteristiche di calibrazione e protezione, è possibile costruire strumenti di laboratorio che forniscono risultati precisi e ripetibili.