如何避免常见 INA 问题?.doc
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1、如何避免常见 INA 问题?物联网 (IoT) 和智能家居的实现首先离不开感应,而它也是发烧友、制造商,甚至是专业设计师面临的首个难题。很多价格相对低廉的传感器,比如加速计、力传感器、应变计和压力变送器,都围绕电阻式惠斯通电桥而设计,因此,它们以毫伏 (mV) 级输出差分电压。在进一步继续之前,需要准确捕获并放大这些低电平信号,使它们达到与微处理器模数转换器 (ADC) 兼容的电平而不造成直流偏移和噪声。同样地,使用高压侧分流器进行电流检测,需要没有接地参考输入且能够承受较大共模电压的放大器。为确保捕获的数据准确,制造商和发烧友需要熟悉仪表放大器 (INA)。INA 是平衡差分放大器,具有可轻
2、松控制的增益、较小的失调漂移和消噪属性。它在家居控制应用中与低成本变送器相辅相成。同时,由于 INA 具有两个不以地为基准的高阻抗输入,因此也适用于各种类型的浮动差分测量。本文将介绍传感器-处理器信号链,以及放大器阶段对共模抑制、准确性和稳定性的需求。另外还将介绍特定传感器和 INA 及其使用方法。压阻式变送器使用压阻式元件的变送器是最热门的传感器系列之一。它们可用于测量应力、作用力、加速度和压力等等。尺寸较小的压阻式元件与变送器的机械元件相连。这些元件可以是条形、板形、弹簧状,或者是膜片状。感应到的预期参数导致机械结构变形。压阻式元件会经受应力,该应力与改变元件电阻的感应参数成正比。压敏电阻
3、器元件的电阻通常是惠斯通电桥电路配置的一部分(图 1)。如果电桥的输入电压固定且四个电阻的值全部相同,则该电桥达到所谓的平衡,输出电压 VOUT为零。图 1:在惠斯通电桥中,变送器通常属于四个电阻元件之一。随着电阻因压力或其他作用力发生变化,输出电压也会成比例变化。(图片来源:Digi-Key Electronics)图 1 中的 R4 代表变送器。压力或其他被测参数的变化导致机械结构和电阻经受应变,从而改变压敏电阻器的电阻。这将导致变送器的电阻偏离其标称值,根据所施加的压力成比例发生变化。而电桥的输出电压 VOUT与电阻的变化成正比,因而也与传感器元件的压力成正比。需要注意的是,VOUT标称
4、值为 VIN的一半。此电压为共模信号电压。对于满量程电压范围为 50 mV 的变送器而言,1% 的电压增量等于 0.5 mV。如果它处于 2 V 的共模电平,共模抑制比 (CMRR) 需要为 72 dB 才能解决电压变化问题。NXP Semiconductors型号为MPX2050DP的 50 kPascal (7.5 psi) 双端口压力变送器,可提供 40 mV 满量程输出信号电平(图 2)。双端口配置可用于测量压差或表压(参考大气压)。图 2:NXP Semiconductors 型号为 MPX2050DP 的 7.5 psi 压阻式双端口压力变送器,满量程输出信号电平为 40 mV。(
5、图片来源:NXP Semiconductors)商用变送器结合使用温度补偿网络,以确保变送器仅响应预期参数,而不响应变送器环境的变化。TE Connectivity型号为FX1901-0001-0050-L的产品是一款压阻式压缩力传感器,具有 22.68 kgf (50 lbf) 的量程。该传感器测量压缩力而非压力,但它使用类似的惠斯通电桥测量拓扑作为压力变送器。它具有 20 mV/V 的灵敏度,因此,当电源电压为 5 V 时,满量程负载灵敏度为 100 mV。这些变送器之间的共同特点是差分输出电平在毫伏范围内,需要放大后才能用于 ADC。此时,仪表放大器 (INA) 派上用场。仪表放大器 (
6、INA)INA 是基于运算放大器技术的一种差分放大器,具有差分输入和单端输出。该放大器是差分放大器,因此能够衰减共模信号,而衰减的程度即为前文提及的 CMRR 规格。因此,INA 很适合在存在较大共模信号或偏移时,将小信号放大。此外,INA 的特征还包括,稳定、准确并可轻松调整的增益、高输入阻抗和低输出阻抗。INA 有两种常见的电路拓扑结构可用。最常见的是图 3 中所示的三重运算放大器设计。在此电路配置中,放大器 U1 和 U2 是非逆变输入缓冲器。它们的输出将馈送给差分放大器 U3。INA 的增益主要通过电阻 RG设置。参考输入通常在不用时接地,控制着输出失调电压电平。检测输入可用于改变输出
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