让制造商和工程师了解用于准确捕获 IoT 数据的仪表放大器

作者:Art Pini

投稿人:DigiKey 北美编辑

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。

惠斯通电桥示意图

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)。

NXP Semiconductors MPX2050DP 7.5 psi 压阻式双端口压力变送器的图片

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。(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 (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差分放大器的增益。不用时,它会与差分级的输出关联。

INA 三重运算放大器配置的示意图

图 3:INA 三重运算放大器配置的交流 CMRR 通常高于双重运算放大器配置。增益由 RG 确定。(图片来源:Digi-Key Electronics)

使用双重运算放大器拓扑结构可减少所需的运算放大器数量(图 4)。

INA 双重运算放大器配置的示意图

图 4:INA 双重运算放大器配置可节省成本和功耗。(图片来源:Digi-Key Electronics)

此电路拓扑结构仅使用两个运算放大器,可节省成本和功耗。双重运算放大器电路的非对称配置可能会造成多个问题,从而限制电路的有效性。最主要的是,与三重运算放大器设计相比,它可能会降低交流 CMRR。

集成式 INA

Texas Instruments 型号为 INA333AIDRGT 的产品是基于三重运算放大器配置的 INA 示例。它提供零漂移电路,可实现出色的直流规格。可以通过单一外部电阻器将增益设置为 1 到 10,000。当增益大于 100 时,其 CMRR 为 100 dB。该产品专为 3.3 V 到 5 V 的工业应用而设计。其带宽取决于增益,单位增益下,最大带宽为 150 kHz。

相比之下,Texas Instruments 的 INA332AIDGKR 是一款宽带 INA,基于改良的双重运算放大器模型,具有一个额外的增益级。通过改变单一外部电阻器的值,其增益在 5 到 1,000 的范围内可调。CMRR 通常为 73 dB。它的带宽明显更宽,达到 2 MHz。

将 INA 集成到单片集成电路中,可以精确匹配有源和无源元器件,从而保证更好的增益和 CMRR 控制(图 5)。

Texas Instruments INA333 和 INA332 仪表放大器的示意图(点击放大)

图 5:Texas Instruments INA333 和 INA332 仪表放大器的简化示意图对比,展示 INA 三重和双重运算放大器拓扑结构的商业实施模式。(图片来源:Texas Instruments)

图 6 中 Texas Instruments INA333 的参考设计显示,使用仪表放大器支持惠斯通电桥变送器非常简单。该设计将 120 Ω 的应变计用作有源变送器元件。此电路可应用于任何类型的惠斯通电桥变送器,并能通过 TINA TI SPICE 仿真器进行模拟。

通过 Texas Instruments INA333 进行应变计放大器 TINA TI 仿真的示意图

图 6:通过 Texas Instruments INA333 进行应变计放大器 TINA TI 仿真,结果显示,应变计 (Rsg) 的标称电阻为 120 Ω,Rsg 摆幅为 10 Ω 时,读数范围为 4.47 V。(图片来源:Digi-Key Electronics)

图中的应变计 Rsg 具有 120 Ω 的标称电阻,可能会在 115 Ω 与 125 Ω 之间变动。目标在于将此变动应用至具有 0 到 5 V 输入范围的 ADC。

为此,放大器增益设置为 1,001,参考电压为 2.5 V。直流转换特性将 INA 的输出电压绘制为应变计电阻变化的函数。仿真中的光标读数显示,应变计电阻摆幅为 10 Ω 时输出范围为 4.47 V。

高压侧电流检测

使用低值电阻分流是测量电流的最常用方法之一。对于通过几个放大器进行的电源测量,一个约为 10 毫欧 (mΩ) 的电阻器产生的压降为每个放大器 10 mV(图 7)。

将 INA 应用于带分流电阻器的高压侧电流检测的示意图

图 7:将 INA 应用于高压侧电流检测,其中分流电阻器 (RSENSE) 位于 INA 电压源和负载之间。(图片来源:Digi-Key Electronics)

如果分流电阻器置于负载与接地之间,则称为低压侧电流检测。将检测电阻置于电源和负载之间则称为高压侧电流检测。高压侧检测具有消除接地干扰的优点。它还可用于检测负载接地故障。

进行高压侧电流检测时,需要认真研究应用于仪表放大器的共模电压,这一点稍后将讨论。

如果 RSENSE 为 10 mΩ,则 5 A 的电流摆动将在电阻器中产生 50 mV 的电压。将 INA 的增益调整到 100 将造成 5 V 的输出摆动。

避免常见 INA 问题

如前所述,仔细考虑 INA 的共模电压范围很重要。以图 6 中的应变计测量为例。INA 由单一 5 V 电源供电以简化配电。如果按双电源供电的常见情况将参考输入接地,则输出摆动集中在 0 V 左右。由于两个 INA 输入都接近 2.3 V,其输出将接近 0 V,且无法在 0 V 基准以下摆动。将检测输入提高到 2.5 V 可将输出电压集中到 2.5 V 左右,允许其上下摆动。

另外,还要务必确保内部缓冲放大器在高增益工作时不会饱和。考虑一下 INA 输入为 5 mV 且增益为 1,000 时,会发生什么。在此情况下,输入缓冲的输出间存在 5 V 的差异。如果 INA 在 5 V 电源下操作,则其中一个缓冲将处于饱和状态。幸运的是,Texas Instruments 等 INA 供应商提供特定应用程序(“仪表放大器的 VCM 与 VOUT”)来检查其仪表放大器的共模范围。

最后还要注意 INA 输入的接地回路。如果输入为 AC 耦合或者连接到热电偶等浮动装置,则应将高值电阻器从输入连接到地面,以释放放大器的输入偏置电流。

总结

在实施设计的过程中,发烧友和专业工程师很快发现,将传感器连接到 IoT 首先需要非常了解如何获取并放大惠斯通电桥发出的低电平信号,然后再用 ADC 将其转换为数字域。

INA 非常适用于放大差分信号。它们提供高增益、高共模抑制和高输入阻抗。由于它们有各种各样的配置,务必了解其工作原理、关键规格及使用注意事项。

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关于此作者

Art Pini

Arthur (Art) Pini 是 DigiKey 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验,曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣,在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。

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