Instrumentenverstärker Nimmt IoT-Signal mit niedrigem Pegel auf
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Diese weiteren Signale mit niedrigem Pegel müssen vor der weiteren Verarbeitung genau erfasst und verstärkt werden, um mit dem Mikroprozessor-Analog-Digital-Wandler (ADC) kompatible Pegel ohne DC-Offset und Rauschen zu erreichen. In ähnlicher Weise erfordert die Verwendung eines hochspannungsseitigen Nebenschlusses zur Stromerfassung einen Verstärker, der keinen Massebezugseingang hat und großen Gleichtaktspannungen standhalten kann.
Um eine genaue Datenerfassung zu gewährleisten, müssen Hersteller und Liebhaber mit Instrumentenverstärkern (INAs) vertraut sein. Der INA ist ein symmetrischer Differenzverstärker mit leicht steuerbarer Verstärkung, kleiner Offsetdrift und Rauschunterdrückung. Es ergänzt kostengünstige Sender in Haussteuerungsanwendungen. Da der INA über zwei hochohmige Eingänge verfügt, die nicht auf Masse bezogen sind, eignet er sich auch für verschiedene Arten von schwebenden Differenzmessungen.
Dieser Artikel beschreibt die Sensor-Prozessor-Signalkette und die Notwendigkeit von Gleichtaktunterdrückung, Genauigkeit und Stabilität in der Verstärkerstufe. Spezifische Sensoren und INAs und deren Verwendung werden ebenfalls beschrieben.
Piezoresistiver Sender
Sender, die piezoresistive Komponenten verwenden, sind eine der beliebtesten Sensorfamilien. Sie können verwendet werden, um Belastung, Kraft, Beschleunigung und Druck zu messen und vieles mehr.
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Kleinere piezoresistive Komponenten sind mit den mechanischen Komponenten des Senders verbunden. Diese Elemente können Streifen, Platten, Federn oder Membranen sein. Die erwarteten erwarteten Parameter bewirken, dass sich die mechanische Struktur verformt. Piezoresistive Bauteile unterliegen Spannungen, die proportional zu den induktiven Parametern sind, die den Widerstand des Bauteils verändern.
Instrumentierungsverstärker
INA ist ein Differenzverstärker basierend auf der Operationsverstärkertechnologie mit Differenzeingängen und Single-Ended-Ausgängen. Der Verstärker ist ein Differenzverstärker und dämpft daher das Gleichtaktsignal, und der Dämpfungsgrad ist die zuvor erwähnte CMRR-Spezifikation. Daher eignet sich INA gut für die Verstärkung kleiner Signale bei Vorhandensein großer Gleichtaktsignale oder Offsets. Darüber hinaus bietet INA eine stabile, genaue und leicht einstellbare Verstärkung, eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz.
INA verfügt über zwei gemeinsame Schaltungstopologien. Am gebräuchlichsten ist das in der folgenden Abbildung dargestellte Design mit drei Operationsverstärkern. In dieser Schaltungskonfiguration sind die Verstärker U1 und U2 nicht invertierende Eingangspuffer. Ihr Ausgang wird dem Differenzverstärker U3 zugeführt. Die Verstärkung der INA wird hauptsächlich durch den Widerstand RG eingestellt. Der Referenzeingang ist normalerweise geerdet, wenn er nicht verwendet wird, und steuert den Spannungspegel des Ausgangsversatzes. Der Sensoreingang kann verwendet werden, um die Verstärkung des Ausgangsdifferenzverstärkers zu variieren. Wenn es nicht verwendet wird, ist es dem Ausgang der Differenzstufe zugeordnet.
Reduzieren Sie die Anzahl der erforderlichen Operationsverstärker mit einer Topologie mit zwei Operationsverstärkern
Hohe Seitenstromerkennung
Die Verwendung eines niederohmigen Widerstandsshunts ist eine der häufigsten Methoden zur Strommessung. Bei Leistungsmessungen mit mehreren Verstärkern führt ein Widerstand von etwa 10 Milliohm (mΩ) zu einem Spannungsabfall von 10 mV pro Verstärker (unten).
Wenn der Shunt-Widerstand zwischen der Last und Masse angeordnet ist, spricht man von einem Low-Side-Strommess. Das Platzieren des Messwiderstands zwischen der Stromversorgung und der Last wird als hochseitiger Stromsensor bezeichnet. High-Side-Sensing hat den Vorteil, dass Bodenstörungen vermieden werden. Es kann auch verwendet werden, um Erdfehler der Last zu erkennen.
Beim Durchführen der Stromseitenstromerkennung ist es notwendig, die an den Instrumentenverstärker angelegte Gleichtaktspannung sorgfältig zu studieren, was später erläutert wird.
Wenn der RSENSE-Wert 10 mΩ beträgt, erzeugt ein Stromhub von 5 A eine Spannung von 50 mV im Widerstand. Wenn Sie die Verstärkung des INA auf 100 einstellen, wird die Ausgangsspannung um 5 V erhöht.
um zusammenzufassen
Bei der Implementierung des Designprozesses entdeckten Enthusiasten und professionelle Ingenieure schnell, dass der Anschluss des Sensors an das IoT zunächst ein gutes Verständnis dafür erfordert, wie das Low-Level-Signal von der Wheatstone-Brücke erfasst und verstärkt werden kann, und dann den ADC zur Umwandlung verwendet zur digitalen Domäne.
INA ist ideal zur Verstärkung von Differenzsignalen. Sie bieten hohe Verstärkung, hohe Gleichtaktunterdrückung und hohe Eingangsimpedanz. Da es verschiedene Konfigurationen gibt, ist es wichtig zu wissen, wie es funktioniert, die wichtigsten Spezifikationen und die Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung.