Розуміння містових схем

Мостові схеми є фундаментальними інструментами в електричній техніці для вимірювання невідомих надбань з високою точністю. Класичний міст Вечків, що складається з чотирьох резисторних рук, розташованих в алмазній конфігурації, залишається найбільш поширеною топологією. Коли міст збалансований, напруга між двома точками є нульовою, що означає співвідношення двох резисторів з одного боку, дорівнює співвідношення на інший. Цей стан дозволяє невідомому опору бути отриманим від відомих значень. Однак в багатьох практичних додатках міст навмисно управляється в небалансованому стані, де виробляється невелика диференціальна напруга пропорційно змінити вимірюваної кількості - будь то буде штам, температури або зміщення, тиску.

Інші типи міст включають в себе Максвелл, Хай, і Шерінг міст для вимірювання індуктивності і ємності, а також подвійний міст Келвін для низькоміцних вимірювань. Незалежно від конкретної топології, всі схеми міст поділяють спільний виклик: диференціальна вихідна напруга часто дуже невелика, на замовлення міліелектриків або мікроелектриків, і, як правило, накладається на велику загальномодену напругу. Точно вилучення цього сигналу вимагає високопродуктивного диференціального підсилювача.

Роль активних диференціальних підсилювачів

Активні диференціальні підсилювачі, побудовані навколо операційних підсилювачів (оп-ампів), призначені для посилення різниці між двома вхідними сигналами при відторгуванні будь-якої напруги, поширеної для обох вводів. Ця властивість, відома як відторгнення загального диму, є важливим у вимірах міст, оскільки напруга збудування місту (наприклад, 5 В або 10 В) з'являється як загальний сигнал на вході підсилювача. Без достатнього відхилення, загальний сигнал буде насичений підсилювач або висунути невеликий диференціальний сигнал інтересу.

Операційні системи підсилювача

Диференціальний підсилювач, як правило, використовує один підсилювач, налаштований як підтрактор з чотирма прецизійними резисторами. Ідеальний вихід дається:

// ]] = (R // / Ri]]] × (V] – V-]]]]]

де Рf і Ri] визначити набут. На практиці реальні підсилювачі мають скінченний коефіцієнт відхилення загального коефіцієнта (CMRR), вхідна напруга, і струми зсуву, які повинні бути враховані. Сучасні точність op-amps, такі як наданий пристрій ADA4528] або Texas Instruments OPA2188, пропонуючи CMRR

Параметри продуктивності ключа

  • Common-Mode Rejection Ratio (CMRR):] Заходи, як добре підсилювач відхиляє ідентичні сигнали на обох вводах. Високий CMRR (>100 dB) необхідний для запобігання збудженню мостів від пошкоджених вимірювання.
  • Вхідна напруга: Невелика помилка постійного струму, яка додає до диференціального сигналу. Точні напірні пристрої мають зсувні напруги нижче 10 мкм.
  • Gain Bandwidth Product (GBWP): Визначення діапазону частот, над яким підсилювач зберігає стабільний приріст. Для вимірювання міст постійного струму GBWP може бути скромним; для динамічних сигналів (наприклад, вібрації), потрібна більша пропускна здатність.
  • Noise Density: Низький вхідний шум напруги (nV / √Hz) є критичним для вирішення мікровольт-рівневих сигналів. Райл-до-рейл вихідні етапи також вигідні для максимального збільшення динамічного діапазону при використанні одно-посадкових систем.

Реалізація підсилювача в мостовому ланцюгу

Вибір патологій

Найлегша реалізація використовує один підсилювач підсилювач підсилювача диференціального підсилювача. Однак, ця топологія має низький вхідний опір і вимагає точного резистора, що відповідає досягненню хорошого CMRR. Для більш високої продуктивності, підсилювач приладобудування (INA) кращий. INAs використовує три-оп-пам архітектуру: два вхідних буферних ампери забезпечують високий опір, а відмінність амп забезпечує кінцевий приріст і загальний відхилення. Сучасні інтегровані INAs, такі як Analog Devices AD8221, включають лазерно-триммовані резистори, які гарантують CMRR над 80B надбавов.

Вибір компонентів

  • Op-amp або INA: Виберіть пристрій з низьким зсувом, високим CMRR і відповідним смуговим пропуском. Для резисторних міст датчиків, керм-стабілізований op-amp мінімує дрифт.
  • Резистори: Використання прецизійних металево-фільтрових резисторів з толерантністю ≤ 0.1% і низьким коефіцієнтом температури (≤ 50 ppm / ° C) для установки мережі. Негайний безпосередньо деградує CMRR.
  • Блок живлення: Чистий, регульовані поставки є важливим. Для акумуляторних інструментів використовуйте низькорослих регуляторів і декопроксаторів (0.1 μF і 10 μF) близько до підсилювача силових шпилів.
  • Захист вхідних даних: Серія резисторів (1 kΩ – 10 kΩ) і Schottky діодів для обмеження несправностей струмів і захисту від перенапруги.

PCB Layout Розглядання

Ви можете використовувати такі принципи:

  • Помістіть підсилювач якомога ближче до мосту, щоб мінімізувати довжину слідів і зменшити електромагнітні перешкоди.
  • Використовуйте тверду площину, що підлягає підсилювачу і мосту. Окремі аналогові і цифрові підстави, якщо використовується змішана система, і з'єднайте їх в одну точку.
  • Зберігати шляхи зворотного зв'язку короткими і уникати маршрутизації високошвидкісних цифрових сигналів біля вхідних підсилювачів.
  • Додайте охоронці кільця навколо вхідної вершини високої чіткості, щоб зменшити струми витоку.

Приклад дизайну: міст Вешня з промиванням

Розглянемо чверть-мобілометрний контур манометра. Один активний манометр з номінальною стійкістю 350 Ом поміщається в одну руку, при цьому три прецизійні резистори 350 Ом завершити міст. Напруга збудження 5 В. Під максимальним процідуванням опір змінюється на 1%, виробляє диференціальну напругу приблизно 12.5 мВ. Для посилення цього до 2,5 В (повний масштаб для 12-бітного АДК), потрібно набирати 200.

Конфігурація схем

Використання INA, як AD8221, встановити отримання з єдиним зовнішнім резистором (RG). Формула отримання G = 49.4 kΩ / RG + 1]. Полярність вводів повинна відповідати напрямку штама (тяг / стиснення).

Калібрування Кроки

  1. При відсутності натяжного натяжного натяжного (балансового збалансованого), відрегулюйте офсетну обрізку (якщо є) до нуля. Багато сучасних INA включають в себе еталонний шпилька; заземлюючи посилання або наносити точний напругу встановлює вихідний нулю.
  2. Застосовувати відомий механічний калібрування (наприклад, шунтовий резистор по манометру) для імітації відомого опору і перевірки на отримання.
  3. Заміряйте вихід з цифровим вольтметром або ADC. Розрахуйте фактичний приріст та коригуйте RG, якщо це необхідно.
  4. Запис вихідного дрейфу за температури і часу для компенсації цифрово при необхідності.

Підвищення продуктивності з активним фільтруванням

Після посилення додаткового фільтрування може додатково поліпшити якість сигналу. Другий порядок низькопроходного фільтра з частотою відключення, що перевищує найвищу частоту сигналу, зменшує широкий діапазон шуму і запобігає асинхронізації в ADC. Фільтр може бути реалізований з топологією Sallen‐Key за допомогою того ж op-amp (якщо використовуються подвійні / квадроцикли) або з виділеним фільтром IC. Для дуже низькочастотних вимірювань, hopper-стабілізатор, який слідує пасивним RC-фільтром, часто є достатніми.

Для додатків, які вимагають ізоляції (наприклад, медичних пристроїв або промислових середовищ з високою напругою), необхідно розмістити ізольований підсилювач або цифровий ізолятор після диференціального підсилювача. Це порушує заземні петлі і захищає вимірювальну електроніку.

Загальні Питпади та усунення несправностей

  • Poor CMRR через невідповідність резистора: Використовуйте резисторні мережі з відповідними співвідношеннями, або впровадити підсилювача приладу з внутрішньою лазерною обробкою.
  • Осциляція: Використовуються надмірним ємнісним навантаженням на вихід або недостатнє декоулінг. Додайте невеликий резистор серії (10 - 50 Ом) на виході або зменшити пропускну здатність наросту, додавши конденсатор зворотного зв'язку.
  • Оффсетний дрейф: Якщо зміни виходу з температурою, переконайтеся, що в op-amp вказаний для низького дрейфу, і що міст термо збалансований (наприклад, манометри для компенсації температури).
  • Примітка: Щит закручений вхідних проводів і з'єднайте щит до аналогового поля в одну точку тільки. Уникайте витоку вхідних проводів біля джерела живлення або моторів.

Застосування активних диференціальних підсилювачів у мостах

За межами датчиків штамів, активні диференціальні підсилювачі використовуються в:

  • Пресуре трандуктори: П'єзорезистентні мостові датчики для автомобільних і медичних застосувань.
  • Thermal Sensors:] Датчики температури Platinum опірності (RTDs) в місті Вегрунта.
  • Магнітні датчики поля: гігантські магніторозистки (GMR) місти для поточного осенсування та визначення положення.
  • Уваги масштабів: Навантажувачі виробляють виходи на рівні міліелектричних рівнів, які вимагають точності ампліфікації та дигітизації.
  • Датчики кутового положення: Холомефектні містки, що використовуються в безщітному двигуні DC.

Висновок

Активні диференціальні підсилювачі незамінні для вилучення чистої, посилених сигналів з мостових ланцюгів. Докладно обравши компоненти -особливо підсилювач або підсилювач приладу, резистори, і блок живлення - і наступні строгі методи планування і калібрування, інженери можуть досягати розв'язання вимірювань до мікровольт. Принципи обговорюються тут нанесені на широкий спектр мостових датчиків, що робить активний диференціальний підсилювач кутовий камінь точності приладобудування. Як точність вимагає збільшення, розуміння і правильно реалізації цих підсилювачів стає ще більш критичним для надійної роботи системи.