Operasyonel yükselteçler (op amps) laboratuvar enstrümanı temel bina bloklarıdır, gerçek zamanlı sinyal izleme için gerekli kazanç, filtreleme ve sinyallendirme sağlar. Tıbbi tanı, çevresel algılama, veya fizik deneyleri, dikkatlice tasarlanmış bir amp devre doğrudan veri satın alma doğruluğunu belirler.Bu makale gerçek zamanlı laboratuvar izleme için artırılmış amp devreleri tasarlamak için kapsamlı bir kılavuz sunar.

Gerçek Zamanlı İşaret İzlemedeki Op Amps rolünü anlamak

Laboratuvar ortamlarında, gerçek zamanlı izleme, sinyallerin geliştirilmiş, filtrelenmiş ve gecikme veya bozulmadan dönüştürülür. Op ampsiyonel, yüksek açık-loop kazançları nedeniyle burada, geniş bant seçenekleri ve lineer işlevleri uygulamak için esneklik sağlar. birincil hedef, sinyalin bütünlüğünü veri satın alma sistemine yönlendirmektir.

Gerçek zamanlı izleme için önemli olan anahtar elektrik özellikleri, örneğin, bir sinyalin 100 kHz maksimum frekansına sahip olması ve 50 $'ın kazanılması gerekir, giriş noktası ve giriş gerilimi gürültüyü seçin. Yeterli GBP ile bir amplifüt kazanmak istenen kapalı-loop kazancının sinyal bant genişliği boyunca muhafaza edilmesini sağlar. Örneğin, bir sinyalin 100 kHz'nin maksimum frekansına sahip olması ve 50'nin kazanılması gerekir, en az 5 MHz'de bir amplifiğe sahip olmalıdır.

Op Amp Devre Tasarımında Anahtar Tahminleri

Laboratuvar ayarı için sağlam bir af amp devre tasarımı, çoğu zaman rekabet, parametreleri dengelemek gerektirir: Aşağıdaki faktörler tasarım aşamasında erken ele alınmalıdır:

  • [FONT=0)Band genişlik ve yarık oranı:[Dönetici:0) AfD:0)))) AfD:0)))))))))))) Doğrulanmış sinyal frekansının slewing olmadan maksimum beklenen sinyal frekansında doğrusal işlemi sürdürmeli. Slew oranı = 2}}fV|p minimum gereksinimi ayarlar.
  • [FONT=0)Gain doğruluk:[Döneticiler ve sıcaklık katları kapalı-loop kazanmaktadır. Hassas dirençleri kullanın (% 0.1 veya daha iyi) kritik kazanç aşamaları için.
  • [FONT=0)Input ve çıktı yetersiz: Yüksek giriş, sensörlerin yüklenmesini engelliyor (örneğin, pH probeleri, bzoelektrik accelerometreler). Low çıktı dürtüleri daha sonraki aşamalar (ADCs, uzun kablolar)
  • [FONT:0)Power tedarik reddedilmesi (PSR): ), Gerçek zamanlı izleme sistemleri genellikle yüksek PSR ile güç raylarını paylaşıyor ve yerel decoupling cleors (0.1 μF + 10 μF) her tedarik piminde .
  • [FONT:0] Performansı: [Dönetici sinyalleri için, düşük gerilimli af ampleri (örneğin, 1.8 nV/POSHz) ve direnç verenleri küçük tutmak Johnson gürültüyü en aza indirmek için.
  • [FONT=0)Input denge ve sürüklenme: [Dönder: [Döncüm:0) DC-çift devreler düşük dengeleme gerektirir (örneğin, LT1001 veya OPA227) veya otozero teknikleri temel hataları önlemek için.

Dış referans: Ayrıntılı bir amp seçimi parametrelerine kılavuz için, [[Dönetici:0)Analog Cihazlarının Op Amp Essentials[[Dön 1: 1) atıfta bulun.

Laboratuvar İzlemesi için Ortak Op Ampifikleri

Gerilim Takipçi (Buffer)

Frekans takip cihazı, uzun kobiyal kablolar veya çoklu girdileri kontrol ettiğinde bir sensörden sonra genellikle ilk aşamadır.In real-time monitoring, buffers are used when drive long co aksiyel kablolar veya multiplexed inputs.

[FONT:0] Tasarım ipucu: [DDÜT 1: 1) Bir JFET veya CMOS girişi a amp (e.g., OPA140, LMC662), giriş önyargı akımları için fotoğraf makinesindeki mevcutlar için. Çıktının osilatör kapasitesi olmadan sürebilir - gerekirse küçük bir seri direnç gösterir.

Amplifier

Bu yapılandırma, sinyalin düzeltilmesi olmadan olumlu kazanç sağlar.Get = 1 + (R[DÜT:0)f) / R)) Yüksek hacimli kaynak için idealdir.

[FONT=0] Tasarım örneği: [Dönetici: 0:1] 40 μV/°C'nin termo çift çıkışı için, 1000 $ 40 mV /°C'lik bir kazanç elde etmek, AD8628 (zero-drift) gibi hassas bir amp kullanarak sıcaklık azaltımı yapmak için.

Alternatif

Diferansiyel yükselteçler ortak mod gürültüsünü reddediyor (örneğin, Pump Hz hum) sadece iki giriş arasındaki farkı doğruluyor. Tipik uygulamalar, presiyonist ECG sinyal satın alma veya köprü sensörü okumalar. Klasik dört-resist ayırıcı yapılandırması, maça karşı direnme gerektirir (R1/R2 = R3/R4) yüksek ortak-mode reddedilme oranı (CMRR).

[FONT=0) İleri yaklaşım: [Dönetici:0) Daha yüksek performans için, bir enstrümantasyon yükselticisi (INA) veya a fark yükseltici IC gibi bir IC:2ConTexas Instruments INA118, bu da tek bir rakipli direniciler sunar ve tek bir kazanç sağlar.

Aktif filtreler (LowPass, High-Pass, Band-Pass)

Gerçek zamanlı sinyaller genellikle yüksek frekanslı gürültü veya DC dengelemesi, dijitalleşmeden önce kaldırılmalıdır. Aktif filtre topolojiler (Sallen-Key, multiple Feedback, Biquad) kesin kesme frekansı ve dik roll-off indüktörleri olmadan sunar. ikinci sipariş Sallen-Key düşük geçit filtresi, veri satın alma sistemleri için ortak bir seçimdir.

[FONT:0)Practical Filtre tasarım adımları:).

  • Gerekli kesme frekansı (f))) sinyal bant genişliği ve ADC örnekleme oranına göre (Nyquist kriter).
  • Bir filtre yanıt seçin: Butterworth (maksimly flat passband), Bessel (linear fazı, düşük overshoot), veya Chebyshev (steep roll-off with passband ripple).
  • Standart denklemleri kullanarak direnç ve kapasitör değerleri hesaplayın. Düşük frekanslı filtreler (< 10 kHz), C değerleri 0.0 - 1 μF, dirençleri pratik tutmak için aralığı kullanın.
  • Yeterli GBP ile artırılmış a ampseçleri seçin - bir baş kuralı: GBP > 100 · f)[[Dönemli bir filtre için faz marjını korumak için.

Tamam Tasarım Örneği: Low-Noise Buffer ve Diferansiyel Amplifier for a Bridge Sensör

Uygulama Uygulama Uygulama Uygulama Uygulama Uygulama Uygulama Uygulama Uygulama Uygulama

Malzeme testinde bir sualtı hattının gerçek zamanlı izlemesi. Köprü çıktısı, 2.5 V yaygın-mode gerilimi ile 0-10 mV'den gelen bir ayırıcı gerilimdir. 18-bit ADC (e.g., AD7980) 100 kSPS'de sinyalin incelenmesi. Sistem 10 kHz bant genişliği içinde 1 μV değişiklikleri çözmelidir.

Aşama 1: Aletleme Amplifier Front-Bit

Üç taneop-amp enstrümanı yükselticisi kullanın (örneğin, AD8421) köprüyü 1 V tam ölçekli olarak artırmak için 100 $ kazanır. AD8421 düşük gürültü (8 nV/POSHz), yüksek CMRR (>100 dB 60 Hz) ve mükemmel DC hassaslığı sağlar.

[FONT=0))) ^ ([Dönetici: 1 + (49.4 kULL / R). R[D[Dönetici) için Çözme[DÜye Değer:[DÜye Olmayanlar İçin Çözülüyorlar[DÜyeler: 499 ULLY: 499 ULLY).

Aşama 2: İkinciOrder Low-Pass AntiAli-asing Filter

[Düzücük filtreyi f ile tasarlayın[DÜDÜ:0)c) = 10 kHz. Bir Sallen-Key topolojiyi OPA2189 (düşük gürültü, demiryolu-rayın C = 1 nF, o zaman R = 1 / (2+) × 10 kHz × 1 nF × × √2) ⁇ 11.25 kULL ±0.1%: 11.3 kULL ±0.1%.

Bir birlik için Butterworth, Q = 0.707: Direnççiler eşit, kapasitörler C2 = 2C1. İşte C2 = 2 ×1 nF = 2 nF (iki 1 nF paralel olarak) >P 1 MHz ile istikrarlıdır (OPA2189 1.35 MHz).

Aşama 3: ADC Sürücü

Filtre çıkışı ADC girişini besliyor. OPA2189'ın çıkış engeli ADC'nin örnekleme cihazını kullanmak için yeterince düşük. 10 {{ serisi direnç ve ADC girişi için bir 1 nF kapasitelior ekleyin.

Dış referans: Daha ayrıntılı filtre tasarım teknikleri için, bakınız:0)TI Uygulama Not: Active Low-Pass Filter Design (SLOA049)[Dön 1: 1).

Laboratuvar Devreleri için Gürültü Azaltı Teknikleri

Laboratuvarlar, güç malzemelerinin taşınması nedeniyle elektriksel olarak gürültülü ortamlardır, dijital oscilloskoplar ve RF müdahale. Sistematik gürültü azaltma mikrovoltaik karar elde etmek için kritiktir.

Yer ve

  • [FONT:0) Tek nokta zemin:[Dönetici:[Dönem: 0) Yıldız-varlık tüm analog, güç kaynağına yakın ortak bir noktaya geri döner.Sadece bir sonda kalkanları birbirine bağlayan zemin döngülerinden kaçının.
  • [FONT:0)Guard izler: [DÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0,6.000.
  • [FONT:0)Enclosure kalkanı:[Dönetici:[Dönetici:0) Tüm devre ve filtre güç hatları için ferrite beads ve be-through kapasitors.

Güç Supply Decoupling

  • Her bir amp tedarik pimi için mümkün olduğunca 0.1 μF seramik kapasitor yerleştirin.
  • Güç girişinin yakınında her demiryolu için 10 μF tantalum veya elektrolitik kapasitör ekleyin.
  • Çok düşük gürültü için, lineer bir posta-regulator (örneğin, ADP7104) analog rayları besleme ve dijital malzemeleri ayrı tutma.

Low-Noise Cons Selection

  • Düşük gerilim gürültü yoğunluğu ile artırılmış artırılmış af ampleri seçin (örneğin, < 3 nV/√Hz geniş bant uygulamaları için).
  • Metalfilm direnişçiler (film-film-film) kullanın, kalınfilm veya karbon kompozisyonundan daha düşük gürültüye sahip.
  • Düşük dielektrikli absorpsiyon ile kapasitörler seçin (C0G/NP0 for small values, Atari for larger values).

Gerçek Zaman İzleme için Güç Tedarikleri

Laboratuvar izleme devreleri genellikle çift ±15 V tedarikinden veya tek bir +5 V'den +15 V trenine çalışır.Her seçim başın odasını etkiler, sinyal salımı ve bileşen kullanılabilirliği etkiler.

Çiftlik

Çift malzemeler AC darbesini basitleştirir ve çıktının simetrik olarak 0 V. Birçok hassas a amplitüd (örneğin, OP07, LT1124) ±15 V. En iyi gürültü performansı için, LT3045 veya ADP7104 gibi düşük performanslı lineer düzenleyiciler kullanılır.

Tek tek tek kullanımlık

Tek başına tasarımlar sanal bir zemin gerektirir (V)CC[DK:1) önyargılı ağ. Rail-to-rail / ⁇ (RRIO) amplif (e.g., OPA333, MCP6001) tam gerilim aralığına ihtiyaç duyar.

Güç Sequencing ve Koruma

  • Tedarik gerilimlerinin CMOS amplitüdünde latch-up önlemek için birlikte ilerlediğini sağlayın.
  • Schottky diyotları her tedarikten gelen baskı koşullarını kuvvetlendirmek için çıktıya ekleyin.
  • Laboratuvar aletlerinden geçicilere karşı korumak için televizyon kanallarını kullanın.

PCB Layout ve Uygulama İpuçları

PCB düzeni parasitik kapasitans veya zemin indüktörlüğü tanısa en iyi devre tasarımı bile başarısız olur. Bu yönergeleri laboratuvar-grad uygulamaları için takip edin:

  • [FONT:0)Separate analog ve dijital nedenlerle:) ADC'de dijital zemine tek bir bağlantı ile sağlam bir analog zemin uçağı kullanın.
  • [FONT:0]Short sinyal yolları:[Dönem:[Dönder:) Geri bildirim direnicileri ve giriş izlerini istikrarsızlığa neden olabilecek en kısa sürede takip eder.
  • [FONT:0) Pasifleri etkili bir şekilde atlayın:[Dönetici: 0,8 μF ve 10 μF kapasiteliler aynı tarafta, arka plandaki kısa uçlarla aynı şekilde.
  • [FONT:0] 90 ° köşeden yoksun:[Dönem:[Dönler:[Dönler:) 45° veya eğrili izleri, parasitik kapasitans ve radyasyonu azaltmak için kritik analog sinyallerin izlerini kullanın.
  • [FONT:0] ⁇ yönetimi:[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0,2) Ayrı güç dağıtım bileşenleri (örneğin, gerilim düzenleyicileri) termoelektrik sürüklenmesi için hassas giriş aşamalarından.

Gerçek Zamanlı Haklar için Test ve Kalibrasyon

Dağıtımdan önce, tüm sinyal zinciri bilinen girişlerle ve sistematik hataları kaldırmak için doğrulanmalıdır.

Fonksiyonel Testler

  • Düşük bir frekans sine dalga ve doğru bir kazanç, bant genişliği ve faz cevabı bir oscilloskop veya ağ analizörü kullanarak.
  • Ölçme girişi, girişten kısa sürede gürültüyü ve gerçek bir RMS metre ile çıkış gürültüyü gözlemle. datasheet gürültü yoğunluk zaman aralığıyla karşılaştırın.
  • Aynı sinyali her iki girişlere uygulayarak ve çıktıyı ölçerek ortak mod reddedilmesini test edin.

Kalibrasyon Prosedürü

  • Sıfır kalibrasyon: Duyucu girişi (veya bilinen bir mumya yükü ile değiştirilmesi) ve dengelemenin (eğer mevcutsa) veya dengeleme dijital olarak çıkarılması.
  • ADC okumasını elde edin: Bir laboratuvar standardından kesin bir gerilim uygulayın (örneğin, Fluke 5700A) ve ADC okumasını kayıt edin. Ölçekleme faktörü.
  • Sıcaklık tazminatı: Eğer sürüklenme kritikse, devreyi birkaç sıcaklıklarda karakterize eder ve bir düzeltme polinomunu bilgisayarda uygular.

Dış referans: A comprehensive overview of op amp circuit testing can be found inENFLT:0)Texas Instruments' Op Devre Tasarımı ve Test Kılavuzu (LY105)).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Gerçek zamanlı sinyal izleme için artırılmış gerçeklik, gürültü, güç bütünlüğü ve teşhis uygulamaları talep eden sistematik bir yaklaşım talep eder.Ing Selection, using appropriate configurations (buffers, Differential amplifatörler, aktif filtreler), ve aşağıdaki en iyi uygulamalar, mühendisler, deney ve teşhis uygulamaları talep eden yüksek hassas ve güvenilir bir şekilde elde edebilirsiniz.For understand the trade-offs in op Selection, using appropriate configurations (buffers, specific testing and calibration ensure that the specific testing and calibration ensure that the signal chain goes to perform in the specific changes. with the concepts over time and environment changes.