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感知是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能家居開始的地方，也是DIY愛好者,，制造者甚至專業(yè)設(shè)計(jì)師遇到他們的第一個(gè)問題的地方,。許多便宜的傳感器，如加速計(jì),，力傳感器,，應(yīng)變計(jì)和壓力傳感器都是圍繞電阻惠斯登電橋設(shè)計(jì)的，因此它們的輸出是毫伏（mV）區(qū)域的差分電壓,。 在進(jìn)一步研究之前,，需要準(zhǔn)確捕獲和放大這些低電平信號，使其與微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）兼容,，而不會引入直流失調(diào)和噪聲,。類似地，使用高端電流分流器檢測電流需要放大器不具有以地為參考輸入并且可以容忍大共模電壓,。 為確保捕獲的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤,，制造商和DIY用戶需要熟悉儀器放大器（INA）。這是一個(gè)平衡差分放大器,，具有易于控制的增益,，低失調(diào)漂移和噪聲消除特性。它是家庭控制應(yīng)用中低成本換能器的天然附件,。另外,，如果有兩個(gè)高阻抗輸入不接地，它也適用于所有類型的浮動(dòng)差分測量,。 本文將介紹傳感器到處理器的信號鏈以及放大器階段對共模抑制,，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的需求。它將引入適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱虸NA以及如何使用它們,。 壓阻式傳感器最常用的換能器系列之一是那些使用壓阻元件的換能器系列,。這些用于測量應(yīng)變，力,，加速度和壓力,，僅舉幾個(gè)例子。小型壓阻元件連接到換能器的機(jī)械元件,。這些元素可以是棒,，板，彈簧或隔膜的形式,。正在感測的期望參數(shù)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)變形,。壓敏電阻元件經(jīng)歷與感應(yīng)參數(shù)成比例的應(yīng)變，這改變了元件的電阻,。 壓電電阻元件的電阻通常是惠斯通電橋電路配置的一部分（圖1）,。如果電橋的輸入電壓固定,，并且所有四個(gè)電阻具有相同的值，則該電橋被認(rèn)為是平衡的,，并且輸出電壓V OUT為零,。  圖1：在惠斯通電橋中，傳感器通常是四個(gè)電阻元件之一,。由于其電阻由于壓力或其他力而變化,，所以輸出電壓按比例變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics） 在圖1中,，R4代表換能器,。壓力或其他參數(shù)的變化會導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)和電阻發(fā)生應(yīng)變，從而改變壓電電阻的電阻,。這導(dǎo)致?lián)Q能器的電阻從其標(biāo)稱值與所施加的壓力成比例地變化,。反過來，電橋的輸出V OUT是與電阻變化成比例的電壓,，并因此與傳感器元件的壓力成比例,。 注意V OUT位于名義上V IN的一半的電位是很重要的。這是共模信號電壓,。對于滿量程電壓跨度為50 mV的傳感器,，1％的電壓增量為0.5 mV。如果這是2伏共模電平,，那么為了解決電壓變化,，共模抑制比（CMRR）需要為72 dB。 的NXP半導(dǎo)體模型MPX2050DP是一個(gè)50千帕斯卡（7.5磅）,，雙端口壓力換能器,，其提供了一個(gè)40 mV滿量程輸出信號電平（圖2）。雙端口配置允許測量差壓或表壓（以大氣壓為參考）,。  圖2：恩智浦半導(dǎo)體型號MPX2050DP是一款7.5 psi壓阻式雙端口壓力傳感器,，具有40 mV滿量程量程輸出信號。（圖片來源：恩智浦半導(dǎo)體） 商用換能器包含溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),，以確保換能器只響應(yīng)所需的參數(shù),，而不會響應(yīng)換能器環(huán)境的變化。 TE Con??nectivity的 FX1901-0001-0050-L型壓阻式壓力傳感器的壓力范圍為22.68 kgf（50 lbf）,。該傳感器測量力而不是壓力,，但使用與壓力傳感器類似的惠斯通電橋測量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它具有20 mV / V的靈敏度,，因此對于5 V電源,，滿量程負(fù)載靈敏度為100 mV。 這些傳感器之間的共同特點(diǎn)是它們的差分輸出電平在毫伏范圍內(nèi),，這需要放大才能與ADC一起使用,。這是儀表放大器（INA）的作用。 儀表放大器INA是基于運(yùn)算放大器（運(yùn)算放大器）技術(shù)的差分放大器,。它們具有差分輸入和單端輸出,。由于它是一個(gè)差分放大器，因此它具有衰減共模信號的能力,。其實(shí)現(xiàn)的程度是前面提到的被稱為CMRR的規(guī)范,。這使它非常適合在存在大共模信號或偏移時(shí)放大小信號。此外,，INA的特點(diǎn)是穩(wěn)定和準(zhǔn)確的增益,，可以很容易地調(diào)整，高輸入阻抗和低輸出阻抗,。有兩種常見的電路拓?fù)溆糜贗NA,。最普遍的是圖3所示的三種運(yùn)放設(shè)計(jì)。在這種電路配置中,，放大器U1和U2是非反相輸入緩沖器,。他們喂U3，這是一個(gè)不同的放大器,。INA的增益主要由電阻R G決定,。參考輸入通常在不使用時(shí)接地，用于控制輸出失調(diào)電壓電平,。感測輸入可用于改變輸出差分放大器的增益,。不使用時(shí)，它與差異階段的輸出相關(guān)聯(lián),。  圖3：INA的三個(gè)運(yùn)算放大器配置通常具有比兩個(gè)運(yùn)算放大器更高的AC CMRR,。增益由R G決定。（圖片來源：Digi-Key Electronics） 使用兩個(gè)運(yùn)算放大器拓?fù)洌▓D4）也可以減少運(yùn)算放大器的數(shù)量,。  圖4：INA的兩個(gè)運(yùn)算放大器配置節(jié)省了成本和功耗,。（圖片來源Digi-Key Electronics） 該電路拓?fù)鋬H使用兩個(gè)運(yùn)算放大器，節(jié)省了成本和功耗,。兩個(gè)運(yùn)算放大器電路的非對稱配置可能會導(dǎo)致幾個(gè)問題,，限制電路的實(shí)用性。最值得注意的是,，與三運(yùn)放設(shè)計(jì)相比,，它可能會降低AC CMRR。 集成的INAs的德州儀器模型INA333AIDRGT是基于這三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的INA的一個(gè)例子,。它提供卓越DC規(guī)格的零漂移電路,。使用一個(gè)外部電阻器可將增益設(shè)置為1至10,000。其增益大于100時(shí),，其CMRR為100 dB,。它專為3.3 V至5 V工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì),。帶寬取決于增益，單位增益時(shí)最大帶寬為150 kHz,。 相比之下,，德州儀器的型號INA332AIDGKR是一款寬帶INA，基于經(jīng)過修改的兩個(gè)運(yùn)算放大器模型,，并具有額外增益級,。根據(jù)單個(gè)外部電阻的值，增益可在5至1000之間調(diào)整,。CMRR通常為73 dB,。它具有2 MHz的顯著更寬的帶寬。 將INA集成到單片集成電路允許精確匹配有源和無源元件,，保證更好地控制增益和CMRR（圖5）,。
 圖5：比較德州儀器INA333和INA332儀表放大器的簡化原理圖，顯示兩個(gè)和三個(gè)運(yùn)算放大器INA拓?fù)涞纳虡I(yè)實(shí)現(xiàn),。（圖片來源德州儀器） 圖6中針對INA333的德州儀器參考設(shè)計(jì)顯示了使用儀表放大器來支持惠斯通電橋傳感器是多么簡單,。這種設(shè)計(jì)探討了使用120Ω應(yīng)變計(jì)作為有源換能器元件。該電路可應(yīng)用于任何類型的惠斯通電橋傳感器或傳感器,，并可在TINA TI SPICE仿真器中進(jìn)行仿真,。更多：儀器儀表動(dòng)態(tài)
 圖6：使用德州儀器INA333應(yīng)變計(jì)放大器的TINA TI仿真示出了應(yīng)變計(jì)（R SG）與120Ω的標(biāo)稱電阻和4.47伏中的R 10Ω擺動(dòng)的讀出范圍SG。（圖片來源：Digi-Key Electronics） 圖中的應(yīng)變計(jì)R sg的標(biāo)稱電阻為120Ω,，可能在115Ω和125Ω之間變化,。我們的目標(biāo)是用一個(gè)具有0到5伏輸入范圍的ADC。 為此,，放大器增益設(shè)置為1,001,，參考電壓為2.5伏。DC轉(zhuǎn)換特性將INA的輸出電壓繪制為應(yīng)變計(jì)電阻變化的函數(shù),。模擬中的光標(biāo)讀數(shù)顯示了應(yīng)變片電阻10Ω擺動(dòng)時(shí)輸出范圍為4.47伏特,。 高端電流感測測量電流的最常用技術(shù)之一是使用低值電阻作為電流分流器。對于幾個(gè)安培量級的電源測量,，一個(gè)大約10毫歐姆（mΩ）的電阻將產(chǎn)生每安培10毫伏的電壓降（圖7）,。 圖7：在INA電壓源和負(fù)載之間使用分流電阻（R SENSE）將INA用于高端電流檢測。（圖片來源Digi-Key Electronics） 如果電阻分流器位于負(fù)載和地之間,，則稱其為低端電流檢測,。將電源和負(fù)載之間的檢測電阻稱為高端電流檢測。高端感應(yīng)具有消除接地干擾的優(yōu)勢,。它也允許檢測負(fù)載接地故障,。 高邊電流感應(yīng)確實(shí)需要仔細(xì)研究施加到儀表放大器的共模電壓，這將在后面討論,。 如果R SENSE為10mΩ,，那么5安培的電流擺幅將導(dǎo)致電阻上的50毫伏,。將INA的增益調(diào)整到100將導(dǎo)致5伏的輸出擺幅。 避免常見的INA問題如前所述,，重要的是要考慮INA的共模電壓范圍,。考慮圖6中的應(yīng)變儀測量,。INA采用單個(gè)5伏電源供電，簡化了功率分配,。如果參考輸入接地,，如同雙電源操作一樣，則輸出擺幅以0伏為中心,。由于INA輸入都接近2.3伏,，其輸出將接近0伏，并且無法擺動(dòng)到0伏參考電壓以下,。將感測輸入提高到2.5伏,，使輸出電壓接近2.5伏，使其能夠在上方和下方擺動(dòng),。確保內(nèi)部緩沖放大器在高增益下運(yùn)行時(shí)不會飽和也很重要,。考慮如果INA的輸入為5 mV,，增益為1000,，會發(fā)生什么情況。在這種情況下,，輸入緩沖器的輸出之間存在5伏的差異,。如果INA從5伏電源供電，則其中一個(gè)緩沖器將處于飽和狀態(tài),。幸運(yùn)的是,，像德州儀器這樣的INA供應(yīng)商提供應(yīng)用程序（'V CM vs. V OUT用于儀表放大器'）來檢查儀表放大器的共模范圍。 最后的注意事項(xiàng)包括為INA輸入提供地面回報(bào),。如果輸入是交流耦合或連接到浮動(dòng)設(shè)備（例如熱電偶）,，則應(yīng)將一個(gè)高值電阻從輸入端接地以排除放大器的輸入偏置電流。 結(jié)論隨著DIY和專業(yè)工程師很快發(fā)現(xiàn),，首先將傳感器連接到物聯(lián)網(wǎng)需要對如何從惠斯通電橋獲取和放大低電平信號有很好的了解,，然后再將其轉(zhuǎn)換為使用ADC的數(shù)字域。INAs是放大差分信號的理想選擇,。它們提供高增益,，高共模抑制和高輸入阻抗。由于它們有各種配置,，因此了解它們的操作方式,，關(guān)鍵規(guī)格以及使用它們時(shí)要注意什么非常重要,。 |
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