L'amplificatore di strumentazione cattura il segnale a basso livello IoT
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Questi ulteriori segnali di basso livello devono essere accuratamente catturati e amplificati prima dell'ulteriore elaborazione per raggiungere livelli compatibili con il convertitore analogico-digitale (ADC) del microprocessore senza offset e rumore CC. Allo stesso modo, l'uso di uno shunt laterale ad alta tensione per il rilevamento di corrente richiede un amplificatore privo di riferimento di massa e in grado di resistere a tensioni di modo comune di grandi dimensioni.
Per garantire un'acquisizione dei dati accurata, i produttori e gli appassionati devono conoscere gli amplificatori di strumentazione (INA). L'INA è un amplificatore differenziale bilanciato con guadagno facilmente controllabile, piccola deriva di offset e cancellazione del rumore. Completa i trasmettitori a basso costo nelle applicazioni di controllo domestico. Allo stesso tempo, poiché l'INA ha due ingressi ad alta impedenza che non sono riferiti a terra, è adatto anche per vari tipi di misure differenziali fluttuanti.
Questo articolo descrive la catena del segnale del processore del sensore e la necessità di rifiuto, accuratezza e stabilità del modo comune nello stadio dell'amplificatore. Vengono anche descritti sensori specifici e INA e come usarli.
Trasmettitore piezoresistivo
I trasmettitori che utilizzano componenti piezoresistivi sono una delle famiglie di sensori più popolari. Possono essere utilizzati per misurare stress, forza, accelerazione e pressione e altro ancora.
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I componenti piezoresistivi più piccoli sono collegati ai componenti meccanici del trasmettitore. Questi elementi possono essere strisce, piastre, molle o diaframmi. I parametri attesi rilevati causano la deformazione della struttura meccanica. I componenti piezoresistivi sono soggetti a sollecitazioni proporzionali ai parametri induttivi che modificano la resistenza del componente.
Amplificatore di strumentazione
INA è un amplificatore differenziale basato su tecnologia op amp con ingressi differenziali e uscite single-ended. L'amplificatore è un amplificatore differenziale e quindi attenua il segnale di modo comune, e il grado di attenuazione è la specifica CMRR menzionata in precedenza. Pertanto, INA è adatto per amplificare piccoli segnali in presenza di grandi segnali o offset di modo comune. Inoltre, le caratteristiche INA: guadagno stabile, preciso e facilmente regolabile, alta impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita.
INA ha due topologie circuitali comuni disponibili. Il più comune è il design dell'amplificatore operazionale triplo mostrato nella figura seguente. In questa configurazione di circuito, gli amplificatori U1 e U2 sono buffer di ingresso non invertenti. La loro uscita sarà alimentata all'amplificatore differenziale U3. Il guadagno dell'INA è principalmente impostato dal resistore RG. L'ingresso di riferimento è normalmente messo a terra quando non in uso, controllando il livello di tensione dell'offset di uscita. L'ingresso di rilevamento può essere utilizzato per variare il guadagno dell'amplificatore differenziale di uscita. Quando non è in uso, è associato all'uscita dello stadio differenziale.
Ridurre il numero di op-amp richiesti con una topologia con doppio operazionale
Rilevamento corrente lato alto
L'uso di uno shunt per resistori di valore basso è uno dei metodi più comuni di misurazione della corrente. Per misurazioni di potenza con diversi amplificatori, un resistore di circa 10 milliohm (mΩ) produce una caduta di tensione di 10 mV per amplificatore (sotto).
Se il resistore di shunt è collocato tra il carico e la terra, è chiamato senso corrente lato basso. Il posizionamento del resistore di rilevamento tra l'alimentazione e il carico è chiamato high current current sense. L'alto rilevamento laterale ha il vantaggio di eliminare le interferenze al suolo. Può anche essere utilizzato per rilevare guasti a terra del carico.
Quando si esegue il rilevamento della corrente lato alto, è necessario studiare attentamente la tensione di modo comune applicata all'amplificatore della strumentazione, che sarà discusso più avanti.
Se RSENSE è 10 mΩ, uno swing corrente di 5A produrrà una tensione di 50 mV nel resistore. Regolando il guadagno dell'INA su 100 si otterrà un'oscillazione dell'uscita 5 V.
per riassumere
Nell'implementazione del processo di progettazione, gli entusiasti e gli ingegneri professionisti hanno scoperto rapidamente che collegare il sensore all'IoT richiede innanzitutto una buona comprensione di come acquisire e amplificare il segnale a basso livello dal ponte di Wheatstone e quindi utilizzare l'ADC per convertirlo. al dominio digitale.
INA è ideale per amplificare segnali differenziali. Offrono un alto guadagno, un'elevata reiezione in modalità comune e un'impedenza di ingresso elevata. Poiché sono disponibili in una varietà di configurazioni, è importante capire come funziona, le specifiche chiave e le precauzioni per l'uso.