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IoT低电平信号如何捕获?必不可少的仪表放大器,你了解一下
云汉芯城 | 2018-10-15 18:07:26    阅读:214   发布文章

  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。


  在进一步处理之前,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特性。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(下图)。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。

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  上图中的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50mV的变送器而言,1%的电压增量等于0.5mV。如果它处于2V的共模电平,共模抑制比 (CMRR) 需要为72dB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40mV满量程输出信号电平(下图)。双端口配置可用于测量压差或表压(参考大气压)。

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  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22.68kgf (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20mV/V的灵敏度,因此,当电源电压为5V时,满量程负载灵敏度为100mV。


  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。最常见的是下图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。

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  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(下图

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  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100dB。该产品专为3.3V到5V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,TexasInstruments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73dB。它的带宽明显更宽,达到2MHz。


  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(下图)。

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  下图中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120Ω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TINATI SPICE仿真器进行模拟。

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


  为此,放大器增益设置为1,001,参考电压为2.5V。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10Ω时输出范围为4.47V。


  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10mV(下图)。

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  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10mΩ,则5A的电流摆动将在电阻器中产生50mV的电压。将INA的增益调整到100将造成5V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由单一5V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0V左右。由于两个INA输入都接近2.3V,其输出将接近0V,且无法在0V基准以下摆动。将检测输入提高到2.5V可将输出电压集中到2.5V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5mV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5V的差异。如果INA在5V电源下操作,则其中一个缓冲将处于饱和状态。幸运的是,TexasInstruments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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  (素材来自网络,由云汉芯城小编编辑整理,如有问题请联系!)

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