Circuit amplificator instrumentatie folosind op

Aproape toate tipurile de senzori și traductoare convertesc parametrii lumii reale, cum ar fi lumina, temperatura, greutatea etc. în valori de tensiune pentru ca sistemele noastre electronice să o înțeleagă. Variația acestui nivel de tensiune ne va ajuta în analiza / măsurarea parametrilor lumii reale, dar în unele aplicații, cum ar fi senzorii biomedici, această variație este foarte mică (semnale de nivel scăzut) și este foarte important să țineți evidența chiar și a variației minute la obțineți date fiabile. În aceste aplicații este utilizat un amplificator de instrumentație.

Un amplificator de instrumentație aka INO sau in-amps, așa cum sugerează și numele, amplifică variația tensiunii și oferă o ieșire diferențială ca orice alt amplificator op. Dar, spre deosebire de un amplificator normal, amplificatoarele Instrumentation vor avea o impedanță de intrare ridicată, cu un câștig bun, oferind în același timp respingerea zgomotului în modul comun cu intrări complet diferențiale. Este în regulă dacă nu îl obțineți acum, în acest articol vom afla despre aceste amplificatoare de instrumentație și, deoarece aceste IC-uri sunt relativ scumpe decât amplificatoarele de operare, vom învăța, de asemenea, cum să utilizați un amplificator normal de operare, cum ar fi LM385 sau LM324 Amplificator de instrumentație și utilizați-l pentru aplicațiile noastre. Amplificatoarele opționale pot fi, de asemenea, utilizate pentru a construi un circuit de sumator de tensiune și de scădere a tensiunii.

Ce este un IC de amplificare a instrumentației?

În afară de op-amperii IC normali avem un tip special de amplificatoare pentru amplificatoare de instrumentație, cum ar fi INA114 IC. Nu este altceva decât câteva op-amperi normale combinate împreună pentru anumite aplicații specifice. Pentru a înțelege mai multe despre acest lucru, puteți căuta în foaia tehnică a INA114 pentru schema sa de circuite interne.

După cum puteți vedea, IC ia două tensiuni de semnal V _IN - și V _IN +, să le considerăm ca V1 și V2 de acum pentru ușurință de înțelegere. Tensiunea de ieșire (V _O) poate fi calculată folosind formulele

V _O = G (V2 - V1)

Unde, G este câștigul amplificatorului și poate fi setat utilizând rezistorul extern R _G și calculat folosind formulele de mai jos

G = 1+ (50k Ω / RG)

Notă: Valoarea 50k ohm este aplicabilă numai pentru INA114 IC, deoarece folosește rezistențe de 25k (25 + 25 = 50). Puteți calcula valoarea pentru alte circuite, respectiv.

Deci, practic, acum, dacă te uiți la el, un In-amp oferă doar diferența dintre două surse de tensiune cu un câștig care poate fi setat de un rezistor extern. Sună familiar? Dacă nu, aruncați o privire la designul amplificatorului diferențial și reveniți.

Da !, exact asta face un amplificator diferențial și dacă aruncați o privire mai atentă, puteți afla chiar că op-amplificatorul A3 din imaginea de mai sus nu este altceva decât un circuit amplificator diferențial. Deci, în termeni simpli, un instrumentar-amplificator este încă un alt tip de amplificator diferențial, dar cu mai multe avantaje, cum ar fi impedanță mare de intrare și control ușor al câștigului etc. Aceste avantaje se datorează celorlalte două amplificatoare opționale (A2 și A1) din proiect vom afla mai multe despre aceasta în următoarea rubrică.

Înțelegerea amplificatorului de instrumentație

Pentru a înțelege complet amplificatorul Instrumentation, haideți-l să împărțim imaginea de mai sus în blocuri semnificative, așa cum se arată mai jos.

După cum puteți vedea , In-Amp este doar o combinație de două circuite Buffer op-amp și un circuit diferențial. Am aflat despre ambele op-amp design individual, acum vom vedea cum sunt combinate pentru a forma un op-amp diferențial.

Diferența dintre amplificatorul diferențial și amplificatorul pentru instrumentație

Am învățat deja cum să proiectăm și să utilizăm un amplificator diferențial în articolul nostru anterior. Câteva dezavantaje considerabile ale amplificatorului diferențial este că are o impedanță de intrare foarte mică din cauza rezistențelor de intrare și are CMRR foarte scăzut din cauza câștigului ridicat în modul comun. Acestea vor fi depășite într-un amplificator de instrumentație din cauza circuitului tampon.

De asemenea, într-un amplificator diferențial trebuie să schimbăm o mulțime de rezistențe pentru a schimba valoarea câștigului amplificatorului, dar într-un amplificator diferențial putem controla câștigul ajustând pur și simplu o valoare a rezistorului.

Amplificator de instrumentatie folosind amplificator op (LM358)

Acum, să construim un amplificator practic de instrumentație folosind op-amp și să verificăm cum funcționează. Op-amp circuitul amplificator de instrumentație care am folosit este dat mai jos.

Circuitul necesită trei op-amperi împreună; Am folosit două circuite integrate LM358. LM358 este un amplificator opțional cu două pachete, adică are două op-amperi într-un singur pachet, deci avem nevoie de două pentru circuitul nostru. În mod similar, puteți utiliza, de asemenea, trei amplificatoare opționale LM741 sau un pachet quad LM324 op-amp.

În circuitul de mai sus, amplificatorul opțional U1: A și U1: B acționează ca un tampon de tensiune, ceea ce ajută la obținerea unei impedanțe de intrare ridicate. Op-amp U2: A acționează ca un op-amp diferențial. Deoarece toate rezistențele op-amplificatorului diferențial sunt 10k, acționează ca un amplificator diferențial de câștig de unitate, ceea ce înseamnă că tensiunea de ieșire va fi diferența de tensiune între pinul 3 și pinul 2 al U2: A

Tensiunea de ieșire a circuitului amplificator de instrumentație poate fi calculat folosind formulele de mai jos.

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

Unde, R = valoarea rezistorului circuitului. Aici R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 care este 10k

Rg = Rezistor de câștig. Aici Rg = R1 care este 22k.

Deci valoarea lui R și Rg decide câștigul amplificatorului. Valoarea câștigului poate fi calculată prin

Câștig = (1+ (2R / Rg))

Simularea amplificatorului de instrumentație

Circuitul de mai sus, atunci când este simulat, dă următoarele rezultate.

După cum puteți vedea, tensiunile de intrare V1 sunt 2,8V și V2 este 3,3V. Valoarea lui R este de 10k, iar valoarea lui Rg este de 22k. Punând toate aceste valori în formulele de mai sus

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V

Obținem valoarea tensiunii de ieșire la 0,95V, care se potrivește cu simularea de mai sus. Deci câștigul circuitului de mai sus este de 1,9, iar diferența de tensiune este de 0,5 V. Deci, acest circuit va măsura practic diferența dintre tensiunile de intrare și îl va multiplica cu câștigul și îl va produce ca tensiune de ieșire.

De asemenea, puteți observa că tensiunea de intrare V1 și V2 apare pe rezistorul Rg, acest lucru se datorează feedback-ului negativ al amplificatorului opțional U1: A și U1: B. Acest lucru asigură că căderea de tensiune pe Rg este egală cu diferența de tensiune dintre V1 și V2, ceea ce face ca cantitatea egală de curent să curgă prin rezistențele R5 și R6, făcând tensiunea pe pinul 3 și pinul 2 egală pe amplificatorul U2: A. Dacă măsurați tensiunea înainte de rezistoare, puteți vedea tensiunea reală de ieșire de la amplificatorul opțional U1: A și U1: B a cărui diferență va fi egală cu tensiunea de ieșire, așa cum se arată mai sus în simulare.

Testarea circuitului amplificatorului de instrumentație pe hardware

Teoria suficientă permite de fapt să construiască același circuit pe o placă de măsurare și să măsoare nivelurile de tensiune. Configurarea conexiunii mele este prezentată mai jos.

Am folosit sursa de alimentare pentru panoul de măsurare pe care am construit-o mai devreme. Această placă ar putea livra atât 5V, cât și 3,3V. Folosesc șina de 5V pentru a alimenta ambele op-amperi și 3.3V ca tensiune de intrare a semnalului V2. Cealaltă tensiune de intrare V2 este setată la 2,8V folosind RPS-ul meu. Deoarece am folosit și rezistor de 10k pentru R și rezistor de 22k pentru R1, câștigul circuitului va fi de 1,9. Diferența de tensiune este de 0,5 V, iar câștigul este de 1,9 produs, din care ne va da 0,95 V ca tensiune de ieșire care este măsurată și afișată în imagine folosind un multimetru. Funcționarea completă a circuitului amplificatorului de instrumentație este prezentată în videoclipul legat mai jos.

În mod similar, puteți modifica valoarea lui R1 pentru a seta câștigul după cum este necesar, utilizând formulele discutate mai sus. Deoarece câștigul acestui amplificator poate fi controlat foarte ușor folosind un singur rezistor, acesta este adesea utilizat în controlul volumului pentru circuitele audio.

Sper că ai înțeles circuitul și ți-a plăcut să înveți ceva util. Dacă aveți întrebări, lăsați-le în secțiunea de comentarii de mai jos sau folosiți forumul pentru un răspuns mai rapid.