Проектирование активных измерителей сигналов с помощью усилителей Op для лабораторных приборов

Активные измерители сигналов образуют основу лабораторного приборостроения, позволяя инженерам, техникам и исследователям измерять электрические величины с высокой точностью. В отличие от пассивных измерителей, которые полагаются исключительно на механизмы отклонения или пассивные компоненты, активные измерители используют операционные усилители (op amps) для усиления, кондиционирования и линеаризации сигналов перед считыванием. Этот активный подход обеспечивает превосходную чувствительность, меньшую нагрузку на тестируемую цепь и возможность непосредственного взаимодействия с цифровыми системами. Эта статья предоставляет подробное руководство по проектированию активных измерителей сигналов с операционными усилителями, охватывающих выбор компонентов, топологии цепей, управление шумом, калибровку и практические стратегии реализации для лабораторной среды.

Роль Op Amps в кондиционировании сигналов для счетчиков

Операционные усилители служат сердцем активных измерителей сигналов, поскольку они предлагают почти идеальное сочетание высокого входного импеданса, низкого выходного импеданса, высокого усиления в открытом цикле и отличного отторжения в обычном режиме. Эти характеристики позволяют измерителю извлекать небольшие напряжения из источников высокого давления, не нарушая схему. Например, электрод рН или пьезоэлектрический датчик представляет собой высокое исходное импеданс, который пассивный измеритель будет значительно загружаться; буфер усилителя опции решает эту проблему.

Ключевые параметры усилителя op, критические для производительности измерителя сигнала, включают:

Принципы проектирования активных измерителей сигналов

Успешный дизайн требует тщательного изучения следующих принципов, каждый из которых мы рассмотрим подробно.

Стратегия выбора Op Amp

Процесс отбора начинается с определения диапазона измерений, точности, пропускной способности и импеданса источника. Для лабораторных вольтметров общего назначения хорошо работает двухполярный усилитель с низким уровнем шума, низким уровнем сдвига, такой как OP177G или более современный ADA4522-2. Для источников с высоким сопротивлением (например, 1 MΩ или более) обязательны типы FET-входа, такие как OPA2134 или AD8605. При измерении сигналов переменного тока от 10 Гц до 100 кГц, JFET-входной усилитель с ГБВ не менее 10 МГц (например, OPA1656) обеспечивает плоский коэффициент усиления. Для субмикровольтной чувствительности стабилизированные вертолетом усилители, такие как LTC2057 или MAX4238, обеспечивают чрезвычайно низкий дрейф смещения и шум на низких частотах.

Практичный выбор должен также учитывать напряжения питания. Лабораторные источники питания обычно обеспечивают ±15 В или ±12 В. Многие современные операционные усилители работают на отдельных источниках питания между 3 В и 5 В, что может быть удобно для портативных или USB-измерителей. Убедитесь, что выход усилителя оптики может колебаться в пределах нескольких сотен милливольт рельсов питания или использовать типы выходов рельса на рельсы, если это необходимо.

Сетевой дизайн обратной связи

Сеть обратной связи определяет коэффициент усиления, пропускную способность и стабильность измерителя. Для неинвертирующей конфигурации коэффициент усиления равен G = 1 + Rf/Rg. Для инвертирующей конфигурации G = -Rf/R. Значения резистора должны быть выбраны для поддержания умеренного усиления шума усилителя оптики (обычно 10 до 100) при избегании чрезмерного теплового шума от больших резисторов. Например, использование резисторов 10 кОм и 100 кОм дает коэффициент усиления 11 и вводит около 40 нВ/Гц шума от одних только резисторов.

В приложениях, требующих очень высокого усиления (например, 1000× для сигналов микровольта), Т-сеть в пути обратной связи может избежать использования импрактически больших резисторов. Т-сеть использует два резистора последовательно для заземления и третий резистор на выходе, эффективно умножая сопротивление обратной связи. Однако она также увеличивает шум и смещение; тщательная компоновка необходима.

Для точности используйте резисторы из металлопленки с низким температурным коэффициентом (например, ±25 ppm/°C). Если измеритель должен быть переключен между диапазонами, используйте массивы прецизионных резисторов или резисторы с реле-переключателем для поддержания стабильности по показаниям.

Отделение и заземление электроснабжения

Оп-амперы требуют чистых источников питания, чтобы избежать впрыска ряби в сигнальный путь. Поместите керамические конденсаторы 0,1 мкФ как можно ближе к каждому op-амперу питания, дополненному электролитическими или танталовыми конденсаторами 10 мкФ в точке входа питания платы. Для раздельных источников питания используйте отдельные положительные и отрицательные обходные конденсаторы. Заземление заслуживает особого внимания: используйте топологию звездного грунта для отделения высокотоковых обратных путей (например, источника питания) от низкоуровневых возвратов сигнала. Наземная плоскость на двухслойной ПХД рекомендуется для частот выше 1 кГц, но для прецизионных метров постоянного тока может быть достаточно одноточечного грунта, чтобы избежать наземных петель.

Калибровочное положение

Каждый активный измерительный прибор должен включать в себя средство калибровки. Простейший метод использует триммерный потенциометр в пути обратной связи для регулировки коэффициента усиления или триммер последовательно с неинвертирующим входом для нулирования смещения. Для более высокой пропускной способности цифровая калибровка с использованием DAC или коррекции на основе EEPROM (например, с использованием внешнего ADC) позволяет компенсировать программное обеспечение. Во время калибровки применяют стойкую опорную линию напряжения (например, калиброванный LM399 или выделенный эталон, такой как ADR4530) и регулируют выход измерителя в соответствии с известным значением. Документируйте процедуру калибровки в руководстве по конечному продукту.

Топологии схем для различных типов измерений

В зависимости от типа сигнала - напряжения, связанного с землей, дифференциального напряжения, тока или сопротивления - различные конфигурации усилителя op служат этой цели.

Неинвертирующий усилитель для сигналов, на которые ссылаются

Неинвертирующий усилитель обеспечивает высокое входное импеданс (в идеале бесконечное) и низкую нагрузку, что делает его идеальным для измерений напряжения из источников высокого давления, таких как ссылка на напряжение или выход датчика. Уравнение усиления является V , , , , , , , , резистор от неинвертирующего входа к земле может быть добавлен для соответствия току смещения для инвертирующего входного пути, уменьшая смещение. Например, использование TL072 с R, , = 100 кОм и R, , дает прирост 11, преобразуя вход 0-1 В в 0-11 В выход. Выход может затем приводить в движение аналоговый панельный измеритель или

Инвертирующий усилитель для биполярного или расширенного диапазона

Инвертирующий усилитель обеспечивает отрицательный коэффициент усиления и может быть выгодным, когда входной сигнал биполярный и ADC требует однополярного диапазона (например, 0-5 В). Путем суммирования опорного напряжения на неинвертируемом входе выход может быть сдвинут на уровень. Дополнительно, инвертирующая конфигурация имеет более низкое напряжение общего режима, что делает ее менее восприимчивой к определенным типам шума. Например, для измерения сигнала ±1 В и вывода 0-10 В, используют коэффициент усиления −5 с положительным смещением 5 В. Критичным является соответствие резистора для офсетной сети; используют резисторы допуска 0,1%.

Дифференциальный усилитель для плавающих измерений

Когда источник сигнала не ссылается на землю измерителя, дифференциальный усилитель устраняет напряжение общего режима. Классический двухоперационный измерительный усилитель или одиночный операционный усилитель с четырьмя сопоставленными резисторами может реализовать дифференциальный усилитель. Отношение отторжения общего режима (CMRR) напрямую зависит от соответствия резистора; несоответствие 0,01% ухудшает CMRR до примерно 80 дБ. Для высокого CMRR используют интегрированный измерительный усилитель, такой как INA128 или AD620, который содержит резисторы с лазерной резисторией.

Для одноопорного дифференциального усилителя выходной сигнал Vout = +−−fi.Выберите большие значения резистора, чтобы минимизировать нагрузку, но держите шум в узде. Например, используйте Ri = 10 кОм и Rf = 100 кОм для усиления 10.Дальность входа в обычный режим должна оставаться в пределах заданных пределов усилителя опции.

Конвертер с током к напряжению

Для измерения тока трансимпедансный усилитель (TIA) преобразует ток в пропорциональное напряжение. Неинвертирующий вход в усилитель op заземлен, а источник тока подключен к инвертируемому входу. Резистор обратной связи устанавливает коэффициент усиления: Vout = −I в f. Небольшой конденсатор обратной связи (например, несколько пикофарад)f стабилизирует цепь, компенсируя входную емкость.] Эта топология распространена в фотодиодных измерениях, пикоамперах и сенсорных интерфейсах. Выберите усилитель op с низким входным током смещения; для токов уровня пикампа уместно LMC6062 или OPA129.

Расширенные соображения для лабораторных измерителей класса

Методы снижения шума

Шум ограничивает разрешение любого измерителя сигнала. Основными источниками шума являются шум входного напряжения усилителя и шум тока, плюс тепловой шум резисторов обратной связи. Для снижения шума:

  • Используйте наименьшие возможные значения сопротивления, которые все еще достигают желаемого усиления, в соответствии с ограничениями нагрузки.
  • Выберите усилитель op с плотностью шума напряжения ниже 10 нВ/Гц для приложений с умеренным коэффициентом усиления.
  • Применять фильтр нижних частот после усилителя, чтобы ограничить полосу пропускания только тем, что необходимо для измерения. Для счетчиков постоянного тока простой RC-фильтр с постоянной времени 0,1 с до 1 с эффективно сокращает 60 Гц гул.
  • Рассмотрите возможность использования стабилизированного вертолетом усилителя для измерений вблизи постоянного тока, поскольку он активно отменяет смещенный и низкочастотный шум (1/f шума).
  • Защитите весь входной путь заземленным металлическим корпусом и используйте к источнику витые парные или коаксиальные кабели.

Для углубленного изучения шума усилителя op обратитесь к руководству по анализу шума усилителя op Аналоговых устройств .

Защита входа и обработка перенапряжения

В лаборатории распространено случайное применение высоких напряжений. Защита входного усилителя с последовательной резисторой (например, от 1 кОм до 10 кОм) и зажим диодов к рельсам питания. Диоды Шоттки, такие как BAT54, имеют низкое прямое напряжение и быстрое восстановление. Для высокоэнергетических переходных процессов добавьте по входу диод с преходящей силой напряжения (TVS). Убедитесь, что последовательное резистор ограничивает ток через защитные диоды до безопасного уровня (обычно <10 мА). Эта схема защиты жертвует небольшим количеством шумовых характеристик, но значительно увеличивает живучесть инструмента.

Обсуждение Bandwidth and Slew Rate

Ширина полосы пропускания измерителя определяет его способность отслеживать быстро меняющиеся сигналы. Для AC-вольтметров изделие полосы усиления усилителя оптики должно быть не менее чем в десять раз максимальной частотой сигнала для поддержания плоской реакции. Например, для измерения сигналов 100 кГц с коэффициентом усиления 10, выберите усилитель оптики с GBW ≥ 10 МГц. Скорость разряда влияет на способность обрабатывать большие колебания напряжения без искажений; минимальная скорость разряда 5 В/мкс адекватна для большинства аудиочастотных метров. Для высокоскоростных измерений импульсов выберите усилители опа со скоростями разряда выше 100 В/мкс, такие как LMH6715.

Интеграция с аналого-цифровыми преобразователями

Современные лабораторные счетчики часто заменяют аналоговые панельные счетчики цифровыми дисплеями. Выход усилителя оптики может приводить в движение ADC напрямую. Ключевые соображения интерфейса включают:

  • Диапазон выхода: масштабируйте выход усилителя оптики в соответствии с диапазоном входа ADC (например, 0-5 В для однопоставочного ADC или ±10 В для биполярного ADC).
  • Возможности вождения: Некоторые АЦП имеют относительно высокую входную емкость; усилитель оптического усилия должен быть стабильным с этой нагрузкой. Используйте небольшой последовательной резистор (50 Ω до 100 Ω) на выходе, чтобы изолировать емкостную нагрузку.
  • Антисглаживающий фильтр: Поместите простой RC фильтр с низким пропуском между усилителем op и ADC с угловой частотой ниже половины скорости отбора проб.
  • Справка: Для пропорционально-метрических измерений опорное напряжение ADC может быть разделено с офсетной сетью усилителя для повышения точности.

Полное руководство по взаимодействию op amp-ADC доступно из примечания Texas Instruments о вождении ADC.

Калибровка и тестирование на практике

После построения измерителя сигнала точность обеспечивается систематической калибровкой. Следующие шаги применяются к конструкции вольтметра постоянного тока с коэффициентом усиления 10:

  1. Заряжайте цепь и дайте период разогрева не менее 10 минут для стабилизации тепловых градиентов.
  2. Если входной сигнал невелик до заземления и замеряется смещением выходного сигнала, то в случае превышения допустимых пределов необходимо отрегулировать триммер смещения (если он присутствует), чтобы свести выходной сигнал к нулю.
  3. Применять к входу источник прецизионного напряжения (например, 100,00 мВ от калиброванного калибратора, такого как Fluke 5700A). Измерять выход. Ожидаемый выход составляет 1000 В. Если не точно, то соответствующим образом регулировать триммер усиления.
  4. Применять второе напряжение (например, 500,00 мВ) и проверять линейность. Выход должен составлять 5,000 В ± допуск стандарта калибровки.
  5. Запись результатов измерений. Для цифровой калибровки сохраняйте коэффициенты коррекции в энергонезависимой памяти.

Более подробную информацию о стандартах и процедурах калибровки см. на странице служб калибровки NIST .

Заключение

Проектирование активных измерителей сигналов с операционными усилителями сочетает фундаментальную аналоговую электронику с практическим инженерным суждением. Выбрав правильный усилитель оптики для области измерения, проектируя сеть обратной связи для требуемого усиления и пропускной способности, реализуя надлежащие схемы питания и заземления, а также включая функции калибровки и защиты, вы можете построить лабораторные инструменты, которые обеспечивают точные, повторяемые результаты. Гибкость усилителей оптики позволяет адаптировать конструкцию к напряжению постоянного тока, напряжению переменного тока или дифференциальным измерениям с минимальными изменениями. Будь то для одноразового проекта или производственного запуска, принципы, изложенные здесь, обеспечивают прочную основу для создания надежных измерителей сигналов, которые отвечают требованиям современных лабораторных сред.