วงจรขยายเครื่องมือวัดโดยใช้ op

เซ็นเซอร์และทรานสดิวเซอร์เกือบทุกประเภทจะแปลงพารามิเตอร์ในโลกแห่งความจริงเช่นแสงอุณหภูมิน้ำหนัก ฯลฯ เป็นค่าแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้ระบบอิเล็กทรอนิกส์ของเราเข้าใจ การเปลี่ยนแปลงในระดับแรงดันไฟฟ้านี้จะช่วยเราในการวิเคราะห์ / วัดค่าพารามิเตอร์ในโลกแห่งความเป็นจริง แต่ในบางแอปพลิเคชันเช่นเซ็นเซอร์ชีวการแพทย์การเปลี่ยนแปลงนี้มีขนาดเล็กมาก (สัญญาณระดับต่ำ) และเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องติดตามแม้กระทั่งการเปลี่ยนแปลงของนาที รับข้อมูลที่เชื่อถือได้ ในการใช้งานเหล่านี้Instrumentation Amplifierถูกนำมาใช้

แอมพลิฟายเออร์ Instrumentation หรือที่เรียกว่า INO หรืออินแอมป์ตามชื่อที่แนะนำจะขยายความแปรผันของแรงดันไฟฟ้าและให้เอาต์พุตที่แตกต่างกันเหมือนกับออปแอมป์อื่น ๆ แต่แตกต่างจากแอมพลิฟายเออร์ทั่วไปแอมพลิฟายเออร์ Instrumentation จะมีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงและมีอัตราขยายที่ดีในขณะที่ให้การปฏิเสธเสียงรบกวนในโหมดทั่วไปด้วยอินพุตที่แตกต่างกัน ไม่เป็นไรถ้าคุณยังไม่ได้รับตอนนี้ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับแอมพลิฟายเออร์ Instrumentation เหล่านี้และเนื่องจาก IC เหล่านี้มีราคาค่อนข้างแพงกว่า Op-amps เราจะได้เรียนรู้วิธีใช้ Op-amp ปกติเช่นLM385 หรือ LM324 เพื่อสร้าง เครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัดและใช้สำหรับการใช้งานของเรา Op-amps ยังสามารถใช้ในการสร้าง Voltage adder และ voltage Subtractor circuit

IC Instrumentation Amplifier คืออะไร?

นอกเหนือจากไอซีออปแอมป์ทั่วไปแล้วเรายังมีแอมพลิฟายเออร์ประเภทพิเศษสำหรับแอมพลิฟายเออร์ Instrumentation เช่น INA114 IC มันไม่มีอะไรมากไปกว่าออปแอมป์ปกติสองสามตัวที่รวมเข้าด้วยกันสำหรับการใช้งานเฉพาะบางอย่าง เพื่อทำความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งนี้ให้ดูในแผ่นข้อมูลของ INA114 สำหรับแผนภาพวงจรภายใน

อย่างที่คุณเห็น IC รับแรงดันสัญญาณสองตัว V _IN - และ V _IN + ให้พิจารณาเป็น V1 และ V2 ตั้งแต่บัดนี้เพื่อความง่ายในการทำความเข้าใจ สามารถคำนวณแรงดันขาออก (V _O) ได้โดยใช้สูตร

V _O = G (V2 - V1)

โดยที่ G คือกำไรของ op-amp และสามารถตั้งค่าได้โดยใช้ตัวต้านทานภายนอก R _Gและคำนวณโดยใช้สูตรด้านล่าง

G = 1+ (50k Ω / RG)

หมายเหตุ: ค่า 50k โอห์มใช้ได้กับ INA114 IC เท่านั้นเนื่องจากใช้ตัวต้านทาน 25k (25 + 25 = 50) คุณสามารถคำนวณค่าสำหรับวงจรอื่น ๆ ตามลำดับ

โดยพื้นฐานแล้วตอนนี้ถ้าคุณดูIn-ampจะให้ความแตกต่างระหว่างแหล่งแรงดันไฟฟ้าสองแหล่งที่มีอัตราขยายที่ตัวต้านทานภายนอกสามารถกำหนด ฟังดูคุ้น ๆ ไหม? ถ้าไม่ลองดูการออกแบบแอมพลิฟายเออร์ Differential แล้วกลับมา

ใช่นี่คือสิ่งที่แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลทำและหากคุณมองใกล้ ๆ คุณจะพบว่า op-amp A3 ในภาพด้านบนนั้นไม่มีอะไรนอกจากวงจรแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล ดังนั้นในแง่ของคนธรรมดา Instrumentation-amp เป็นอีกหนึ่งแอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างกัน แต่มีข้อดีมากกว่าเช่นอิมพีแดนซ์อินพุตสูงและการควบคุมอัตราขยายที่ง่ายเป็นต้นข้อดีเหล่านี้เป็นเพราะ op-amp อีก 2 ตัว (A2 และ A1) ในการออกแบบ เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป

การทำความเข้าใจเครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัด

เพื่อให้เข้าใจแอมพลิฟายเออร์ Instrumentation อย่างสมบูรณ์เรามาแบ่งภาพด้านบนออกเป็นบล็อกที่มีความหมายดังที่แสดงด้านล่าง

ที่คุณสามารถดูในแอมป์เป็นเพียงการรวมกันของสองบัฟเฟอร์วงจร op-amp และเป็นหนึ่งในค่าวงจรสหกรณ์แอมป์ เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับการออกแบบ op-amp ทั้งสองแบบแยกกันแล้วตอนนี้เราจะมาดูกันว่าจะรวมกันอย่างไรเพื่อสร้าง Op-amp ที่แตกต่างกัน

ความแตกต่างระหว่าง Differential Amplifier และ Instrumentation Amplifier

เราได้เรียนรู้วิธีการออกแบบและใช้เครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกันไปแล้วในบทความก่อนหน้าของเรา ข้อเสียเล็กน้อยของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลคือมีอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำมากเนื่องจากตัวต้านทานอินพุตและมีค่า CMRR ต่ำมากเนื่องจากได้รับโหมดทั่วไปสูง สิ่งเหล่านี้จะเอาชนะได้ในเครื่องขยายเสียง Instrumentation เนื่องจากวงจรบัฟเฟอร์

นอกจากนี้ในแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลเราจำเป็นต้องเปลี่ยนตัวต้านทานจำนวนมากเพื่อเปลี่ยนค่าเกนของแอมพลิฟายเออร์ แต่ในแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลเราสามารถควบคุมอัตราขยายได้เพียงแค่ปรับค่าตัวต้านทานหนึ่งค่า

Instrumentation Amplifier โดยใช้ Op-amp (LM358)

ตอนนี้มาสร้างแอมพลิฟายเออร์ Instrumentation ที่ใช้งานได้จริงโดยใช้ op-amp และตรวจสอบว่ามันทำงานอย่างไร วงจร op-amp เครื่องมือเครื่องขยายเสียงที่ผมใช้จะได้รับด้านล่าง

วงจรต้องใช้ออปแอมป์สามตัวด้วยกัน ฉันได้ใช้LM358 สองของวงจรรวม LM358 เป็นออปแอมป์แบบแพ็คเกจคู่ที่มีออปแอมป์สองตัวในแพ็คเกจเดียวดังนั้นเราจึงต้องการสองตัวสำหรับวงจร ในทำนองเดียวกันคุณยังสามารถใช้ op-amp LM741 แพ็คเกจเดียวสามชุดหรือหนึ่งชุดรูปสี่เหลี่ยม LM324 op-amp

ในวงจรด้านบน op-amp U1: A และ U1: B ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าซึ่งจะช่วยในการรับอิมพีแดนซ์อินพุตสูง op-amp U2: A ทำหน้าที่เป็น op-amp ที่แตกต่างกัน เนื่องจากตัวต้านทานทั้งหมดของออปแอมป์ที่แตกต่างกันคือ 10k จึงทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายเสียงที่ได้รับเอกภาพซึ่งหมายความว่าแรงดันขาออกจะเป็นผลต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างขา 3 และขา 2 ของ U2: A

แรงดันเอาท์พุทของวงจรเครื่องขยายเสียง Instrumentationสามารถคำนวณโดยใช้สูตรข้างล่างนี้

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

โดยที่ R = Resistor ให้ค่าวงจร ที่นี่ R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 ซึ่งก็คือ 10k

Rg = รับตัวต้านทาน ที่นี่ Rg = R1 ซึ่งคือ 22k

ดังนั้นค่าของ R และ Rg จึงเป็นตัวกำหนดอัตราขยายของเครื่องขยายเสียง มูลค่าของกำไรสามารถคำนวณได้โดย

กำไร = (1+ (2R / Rg))

การจำลองเครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัด

วงจรข้างต้นเมื่อจำลองให้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้

ดังที่คุณเห็นแรงดันไฟฟ้าอินพุต V1 คือ 2.8V และ V2 คือ 3.3V ค่าของ R คือ 10k และค่าของ Rg คือ 22k ใส่ค่าเหล่านี้ทั้งหมดในสูตรข้างต้น

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

เราได้ค่าของแรงดันเอาต์พุตเป็น 0.95V ซึ่งตรงกับการจำลองด้านบน ดังนั้นกำไรของวงจรข้างต้นคือ 1.9 และความต่างศักย์คือ 0.5V ดังนั้นวงจรนี้โดยทั่วไปจะวัดความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและคูณด้วยอัตราขยายและสร้างเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออก

นอกจากนี้คุณยังสามารถสังเกตได้ว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต V1 และ V2 ปรากฏบนตัวต้านทาน Rg ซึ่งเกิดจากผลตอบรับเชิงลบของ Op-amp U1: A และ U1: B เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันตกคร่อม Rg เท่ากับความต่างศักย์ระหว่าง V1 และ V2 ซึ่งทำให้กระแสไหลผ่านตัวต้านทาน R5 และ R6 เท่ากันทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ขา 3 และขา 2 เท่ากันบน op-amp U2: A หากคุณวัดแรงดันไฟฟ้าก่อนตัวต้านทานคุณจะเห็นแรงดันไฟฟ้าขาออกจริงจาก op-amp U1: A และ U1: B ซึ่งความแตกต่างจะเท่ากับแรงดันขาออกตามที่แสดงด้านบนในการจำลอง

การทดสอบวงจรแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดบนฮาร์ดแวร์

ทฤษฎีเพียงพอช่วยให้สามารถสร้างวงจรเดียวกันบนเขียงหั่นขนมและวัดระดับแรงดันไฟฟ้าได้ การตั้งค่าการเชื่อมต่อของฉันแสดงอยู่ด้านล่าง

ฉันใช้แหล่งจ่ายไฟเขียงหั่นขนมที่เราสร้างไว้ก่อนหน้านี้แล้ว บอร์ดนี้สามารถส่งได้ทั้ง 5V และ 3.3V ฉันใช้ราง 5V เพื่อจ่ายไฟทั้งออปแอมป์และ 3.3V เป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุตของสัญญาณ V2 แรงดันไฟฟ้าอินพุตอื่น V2 ถูกตั้งค่าเป็น 2.8V โดยใช้ RPS ของฉัน เนื่องจากฉันยังใช้ตัวต้านทาน 10k สำหรับตัวต้านทาน R และ 22k สำหรับ R1 กำไรของวงจรจะเป็น 1.9 แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันคือ 0.5V และค่าที่ได้รับคือ 1.9 ผลิตภัณฑ์ซึ่งจะให้ 0.95V เป็นแรงดันขาออกซึ่งวัดและแสดงในภาพโดยใช้มัลติมิเตอร์ การทำงานที่สมบูรณ์ของวงจรขยายเครื่องมือวัดจะแสดงในวิดีโอที่เชื่อมโยงด้านล่าง

ในทำนองเดียวกันคุณสามารถเปลี่ยนค่าของ R1 เพื่อตั้งค่าอัตราขยายตามต้องการโดยใช้สูตรที่กล่าวถึงข้างต้น เนื่องจากอัตราขยายของเครื่องขยายเสียงนี้สามารถควบคุมได้อย่างง่ายดายโดยใช้ตัวต้านทานตัวเดียวจึงมักใช้ในการควบคุมระดับเสียงสำหรับวงจรเสียง

หวังว่าคุณจะเข้าใจวงจรและสนุกกับการเรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์ หากคุณมีคำถามใด ๆ ทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นด้านล่างหรือใช้ฟอรัมเพื่อการตอบกลับที่เร็วขึ้น