Table of Contents

Введение в датчики моста и дифференциальное усиление

Мостовые датчики, такие как мост Уитстона, являются фундаментальными в промышленных и медицинских системах измерения для обнаружения мельчайших изменений физических параметров, таких как напряжение, давление, сила и температура. Эти датчики преобразуют физический стимул в небольшое дифференциальное напряжение - часто всего несколько милливольт - которое накладывается на большее напряжение общего режима. Для точного извлечения этого слабого сигнала требуется дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом отклонения общего режима (CMRR), низким уровнем шума и точным усилением. Оперативные усилители (op amps) обеспечивают универсальный, экономически эффективный строительный блок для таких схем. Эта статья представляет собой всеобъемлющее руководство по проектированию, внедрению и оптимизации дифференциального усилителя сигнала для приложений датчиков моста с использованием дискретных op amps, охватывающий топологию схемы, выбор компонентов, снижение шума, лучшие практики компоновки и передовые альтернативы.

Как датчики мостов генерируют дифференциальные сигналы

Типичный мост Уитстона состоит из четырех резистивных рычагов. Когда мост сбалансирован, то есть когда отношение сопротивлений в одной половине равняется другой, разница напряжения между двумя средними точками равна нулю. Под влиянием измеренной переменной (например, деформация, вызывающая изменение сопротивления в одном или нескольких рычагах), мост становится несбалансированным и производит дифференциальное выходное напряжение, которое прямо пропорционально приложенному стимулу. Этот дифференциальный сигнал обычно находится в диапазоне от микровольта до милливольта, в то время как напряжение общего режима (среднее из двух выходов) может быть несколько вольт, особенно в конфигурациях с одним подачей или когда мост возбуждается напряжением постоянного тока. Основная цель дифференциального усилителя состоит в том, чтобы усилить только разницу между двумя выходами датчика при отклонении компонента общего режима.

Топология ядра дифференциального усилителя с использованием Op Amp

Простейший дифференциальный усилитель может быть реализован с помощью одного операционного усилителя и четырех резисторов, расположенных в сбалансированной мостоподобной сети обратной связи. Эта классическая схема известна как дифференциальный усилитель с одним усилителем усилителя. Его выходное напряжение задается: Vout = 21 − V1, где R13 = R442/R1. Для приложений мостовых датчиков типичные значения усиления варьируются от 10 до 1000, в зависимости от полноразмерного выхода датчика и требуем

Подробности реализации схемы

Подключите каждый выход датчика к неинвертирующим и инвертирующим входам через соответствующие входные резисторы (R]1 и R3. Резистор обратной связи (R]2) соединяется с выходом усилителя опоры к инвертирующим входам, в то время как R4 соединяет неинвертирующий вход с землей (или с опорным напряжением в конструкциях с одним подачей). Крайне важно сопоставить значения резистора для достижения высокой CMRR; даже 0,1% несоответствий значительно ухудшают производительность. Высокоточные тонкопленочные резисторы или индивидуально подобранные дискретные резисторы с отслеживанием температуры настоятельно рекомендуются.

Основные требования к производительности усилителей датчиков моста

Получить точность и дрейф

Повышение дифференциального усилителя должно быть стабильным по температуре и времени. Коэффициенты температуры резистора (TC) и коэффициенты усиления/ширины полосы пропускания (GBW) op amp влияют на точность. Для высокоточных применений используйте резисторы с TC ниже 25 ppm/°C и op amps с GBW по меньшей мере в десять раз превышающими максимальную частоту сигнала, чтобы избежать фазового сдвига и достижения пика.

Отношение отказа в обычном режиме (CMRR)

CMRR — это способность усилителя подавлять напряжение общего режима при усилении дифференциального сигнала. Для мостовых датчиков с высоким уровнем возбуждения общего режима (например, 5 В, 2,5 В в общем режиме) CMRR должен превышать 100 дБ. CMRR одного усилителя дифференциала операционного усилителя в первую очередь ограничен несоответствием резистора. Даже при идеально подобранных резисторах собственный CMRR операционного усилителя становится фактором на высоких частотах. Использование операционных усилителей с CMRR > 120 дБ (например, AD8628, OPA2188) целесообразно.

Вводное биасовое ток и выключенное напряжение

Выходы датчиков моста часто имеют высокий импеданс источника (несколько кОм). Ток смещения входа, проходящий через резисторы, создает падения напряжения, которые появляются как ошибки дифференциального смещения. Выберите CMOS или FET-вход op с токами смещения ниже 10 пА, чтобы минимизировать этот эффект. Кроме того, низкое входное напряжение смещения (Vos) и дрейф с низким смещением имеют решающее значение для предотвращения повреждения сигнала малого датчика. Прецизионные усилители оптического сдвига с Vos < 50 мкВ и дрейф < 0,5 мкВ/°С идеальны.

Шумовое исполнение

Шум усилителя должен быть значительно ниже собственного шумового пола датчика. Для мостовых датчиков низкочастотный (1/f) шум и широкополосный шум оба вещества. Выберите усилители с низкой плотностью шума напряжения (например, 10 нВ/Гц при 1 кГц) и настройте схему для минимизации теплового шума резистора (сохраняйте значения резистора как можно ниже без перегрузки датчика). Типичный диапазон значений резистора составляет от 1 кОм до 100 кОм.

Руководство по практическому выбору компонентов

  • Op Amp: Ищите устройства с низким смещением, низким дрейфом, высоким CMRR и низким током смещения. Примеры: OPA189 (нулевой дрейф), ADA4077 (точный биполярный), LTC2057 (нулевой дрейф). Для приложений с низким энергопотреблением рассмотрим MCP6V01 или ISL28134.
  • Резисторы: Используют металлопленочные прецизионные резисторы с допуском ≤ 0,1% и TC ≤ 25 ppm/°C. Тонкие пленочные резисторы (например, LT5400) обеспечивают отличное соответствие и отслеживание.
  • Капитаны: Поместите 10-100 нФ обводных конденсаторов вблизи op-амперных штифтов питания. Используйте низко-ESR керамические (X7R или NP0) типы.
  • Коннекторы и кабели:Щитные витые кабели снижают пикап. Используйте дифференциальную маршрутизацию на ПХБ для сохранения целостности сигнала.

Пошаговая процедура проектирования

1.Определить спецификации системы

Определите полноразмерный выход датчика (например, 20 мВ для возбуждения 2,5 В), требуемый диапазон выходного напряжения (например, 0-5 В для ADC) и полосу пропускания. Вычислите необходимый коэффициент усиления: Прибыль = V]out(max) / Vin(diff max). Также обратите внимание на максимальное напряжение общего режима.

2.Выберите усилитель и резисторы

Основываясь на требованиях к шуму, пропускной способности и точности, выберите усилитель. Выберите значения резистора, такие как R1 и R3, равные и R24. Общим выбором является R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм для усиления 10. Убедитесь, что значения резистора достаточно низки, чтобы минимизировать шум Джонсона, но не настолько низки, чтобы они загружали датчик (импеданс выхода датчика должен быть намного меньше, чем R1.

3. имитация схемы

Используйте моделирование SPICE (например, LTSpice, TINA-TI) для проверки усиления, CMRR и частотной реакции. Включите макромодели op amp и эффекты устойчивости резистора. Добавьте паразитные емкости для проверки стабильности.

4.Прокладка и прототипирование

На ПХБ держите петлю обратной связи короткой и симметричной. Используйте наземную плоскость. Поместите усилитель оптики близко к датчику, чтобы уменьшить длину следов. Отдельные аналоговые и цифровые основания, если ADC находится на одной доске. Для быстрого прототипирования используйте хорошо построенную доску с короткими прыгунными проводами, но имейте в виду, что паразитная емкость может вызывать колебания.

5. Калибровка и испытания

Применять известные дифференциальные входные напряжения (с использованием источника прецизионного напряжения) и измерять выход. Корректировать усиление путем тонкой настройки R2 при необходимости. Измерять CMRR, применяя одинаковое напряжение общего режима как к входам, так и наблюдая за изменением выхода. Калибровать любое остаточное смещение путем добавления небольшого напряжения отделки к эталонному штифту.

Оптимизация отказа от обычного режима

Однократный усилитель дифференциала имеет присущие CMRR ограничения из-за несоответствия резисторов. На каждые 0,1% несоответствия CMRR разлагается примерно на 54 дБ относительно идеального. Для достижения CMRR выше 100 дБ резисторы должны соответствовать в пределах 0,01% или лучше. Практическим способом повышения CMRR без ультраточных резисторов является использование конфигурации приборного усилителя с тремя операционными усилителями (INA), которая обеспечивает высокое импеданс ввода и отказ в обычном режиме, в основном задаваемый CMRR операционных усилителей и одиночный резистор с задачей усиления.

Продвинутые альтернативы: Усилители приборов

Для требовательных применений мостовых датчиков трехопорный усилитель приборов (например, с использованием INA826, AD8221 или дискретной реализации с тремя точными усилителями) обеспечивает превосходную производительность:

  • Высокое входное сопротивление: Два входных буфера представляют высокое импеданс датчика, сводя к минимуму ошибки загрузки.
  • Высокий CMRR: CMRR > 120 дБ достижим, даже при умеренном соответствии резистора.
  • Программирование усиления одного резистора: Прибыль задается одним внешним резистором, что упрощает конструкцию и калибровку.

Однако дискретная реализация с тремя операционными усилителями стоит дороже места на борту и мощности.Для многих приложений наилучшим выбором является полностью интегрированный усилитель приборов IC.

Стратегии снижения шума

Электрический шум может легко перегружать сигнал датчика небольшого моста. Внедрить следующие методы:

  • Скрученный парный экранированный кабель: Подключите щит к земле датчика или аналоговой земле усилителя (не к земле питания).
  • Низкочастотная фильтрация: Добавить RC-фильтр первого порядка (например, резистор 1 кОм и конденсатор 100 нФ) на выходе усилителя для ограничения полосы пропускания и уменьшения широкополосного шума.
  • Отсоединение питания: Используйте 10 мкФ тантал плюс 100 нФ керамику на каждой рельсе питания, расположенной как можно ближе к штифтам усилителя оптики.
  • Заземление: Используйте звездный грунт или твердую наземную плоскость. Избегайте наземных петлей, направляя наземный возврат датчика непосредственно в точку отсчета усилителя.

Методы калибровки для усилителей датчиков моста

Даже с точными компонентами будут существовать ошибки смещения и усиления. Калибровка может выполняться в аппаратном или программном обеспечении:

Обсуждение Offset Trim

Добавить потенциометр (например, 10 кОм) между неинвертирующим входом и ссылкой на напряжение, равной нулю смещения выходного сигнала. Альтернативно, использовать цифровой потенциометр для удаленной или автоматизированной калибровки.

Обогнать Trim

Небольшой резистор отделки в серии с R1 или R2 может регулировать коэффициент усиления. Используйте многоповоротный потенциометр для тонкой регулировки.

Калибровка программного обеспечения

Если выход усилителя подается на ADC, калибровку можно выполнить в цифровом виде путем измерения известного нулевого входа и известного исходного входа. Такой подход является гибким и устраняет необходимость в компонентах аналоговой отделки.

Рассмотрение вопроса о энергоснабжении

Датчики моста часто работают от одного напряжения питания (например, 3.3 В или 5 В). Амперы с одним подачей должны иметь входное и выходное напряжение рельса-рельса для обработки напряжений общего режима вблизи рельсов. Для конструкций с одним подачей подсоедините неинвертирующий резистор входа (R]4) к среднему эталонному напряжению подачи (например, 2.5 В) вместо заземления. Это эталонное напряжение сменит выход в центр диапазона питания, позволяя усиливать как положительные, так и отрицательные дифференциальные сигналы. Используйте ссылку с низким коэффициентом усиления, такую как буферизованный делитель напряжения или точный эталонный IC.

Температурная стабильность и компенсация дрейфа

Изменение температуры влияет на величины смещения, усиления и резистора op amp.

  • Используйте операционные усилители с низким дрейфом смещения (например, авто-нулевые типы с нулевым дрейфом, такие как OPA189).
  • Выберите резисторы с низким ТК и убедитесь, что они расположены близко друг к другу на ПХД, чтобы уменьшить тепловые градиенты.
  • Применяйте небольшое количество резистивного анализа самонагрева — мощные резисторы могут нагреваться и создавать дрейф.
  • Рассмотрите возможность использования тонкопленочной резисторной сети со встроенными нагревателями для критических применений.

Примеры реальных приложений

Датчик давления Signal Conditioning

Кремниевый пьезорезистивный датчик давления с возбуждением 5 В производит около 25 мВ полноразмерный дифференциальный выход. Используя однооперационный дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления 200 (R]1=1 кОм, R2=200 кОм) усиливает сигнал до 5 В, подходящий для 10-битного ADC. Общее напряжение составляет 2,5 В. При правильном соответствии резистора (0,1%), CMRR составляет примерно 80 дБ, достаточное для большинства применений.

Система взвешивания грузовых ячеек

Нагрузочные ячейки обычно выдают 1-3 мВ/В возбуждения. Для возбуждения 5 В полномасштабный выход составляет 5-15 мВ. Усилитель приборов с коэффициентом усиления 330 дает выход 0-5 В. Высокий CMRR (>110 дБ) отклоняет шум линии электропередач 50/60 Гц, что необходимо для точного измерения веса.

Усилитель стягивания для структурного мониторинга

При низкочастотном мониторинге доминирует шум 1/f. Использование усилителя с нулевым смещением (например, LTC2057) снижает низкочастотный шум до субмикровольтных уровней. Дифференциальный усилитель может быть сконфигурирован с коэффициентом усиления 10000, но для предотвращения колебаний требуется тщательная компоновка и фильтрация.

Общие подводные камни и устранение неполадок

  • Колебание: Вызванное емкостной нагрузкой на выходе или пути обратной связи. Добавить небольшой резистор (например, 50 Ω) последовательно с выходом и/или конденсатор обратной связи (несколько pF) для компенсации.
  • Слишком большое значение: Проверка припоевых соединений, ток входного смещения (обеспечьте, чтобы оба входа видели равное сопротивление постоянного тока к земле).
  • Плохая CMRR: Проверить соответствие резистора цифровому мультиметру. Для точности используйте 4-проводное измерение Кельвина.
  • Шумовой пикап: Исследуйте кабели, наземные петли и близость к переключению источников питания. Добавьте ферритовые бусины на входы питания.

Заключение

Проектирование дифференциального усилителя сигнала для приложений датчиков моста с использованием усилителей оптического привода является структурированным процессом, который требует тщательного внимания к выбору компонентов, топологии схем и компоновке. Классический дифференциальный усилитель с одним усилителем оптического усилителя предлагает простое, недорогое решение, когда можно достичь точного соответствия резистора. Для более высокого CMRR и более легкого программирования усиления предпочтительным является трехоперационный усилитель приборов или интегрированный INA. Благодаря систематической адресации точности усиления, CMRR, шума и температурного дрейфа инженеры могут создать надежную цепочку кондиционирования сигнала, которая точно воспроизводит выход датчика. С руководством, представленным в этой статье, охватывающим этапы проектирования, компромиссы и практические советы, читатели могут уверенно реализовать дифференциальные усилители для датчиков моста в приложениях, начиная от управления промышленным процессом до медицинской диагностики.

Для дальнейшего чтения по критериям выбора усилителя op, обратитесь к Руководство по выбору усилителя Op Amp Analog Devices . Для более глубокого понимания теории моста Уитстона см. Все о схемах Уитстон Бридж учебник . Для передовых методов анализа шума в схемах усилителя, проконсультируйтесь с Texas Instruments «Анализ шума в операционных схемах усилителя» .