Wzmacniacz. Instrumentalny

Wzmacniacz. Instrumentalny

Niewielki różnicowy sygnał wyjściowy z sensorów w układzie mostkowym jest na dość wysokim potencjale wspólnym. Aby mocno stłumić zakłócenia powodowane zmieniającym się napięciem wspólnym stosuje się wzmacniacze instrumentalne mające znaczny współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR.

Wysokie wymagania stwarzają zwłaszcza mostki tensometryczne.

Zadanie.

Mostek tensometryczny z rezystorami 350 Ohm o zerowym temperaturowym współczynniku oporności zasilany jest prądem ( a nie napięciem ! ) stałym dającym na mostku napięcie 10 V a więc 10/0.35=28.571.. mA. Pełny sygnał wyjściowy z mostka wynosi 20 mV. Mostek do systemu dołączony jest ekranowanym 4 przewodowym kablem miedzianym o przekroju 0.5 mm2 i długości 30 m. Zasilanie podane jest kablem z doskonałego źródła prądowego a prąd z mostka płynie przewodem do GND systemu. Nominalne temperatura pracy wynosi 10C. Zmiana temperatury otoczenia w zakresie -20C do 40C nie może spowodować błędu większego od 1 LSB przy przetworzeniu A/D 14 bitowym.

Jakie jest wymagane ( w dB ) tłumienie sygnału wspólnego CMRR użytego wzmacniacza instrumentalnego ? Oporność właściwa miedzi w temperaturze 20C wynosi 1.72E-8 Ohm m. Współczynnik temperaturowy oporności miedzi wynosi 3.9E-3.

Mostki tensometryczne są bardzo użyteczne w wielu zastosowaniach ale w Polsce są jeszcze mało popularne. Między innymi automatyzuje się naważanie wsadowe jak i ciągłe. Z pomocą mikrokomputera można zważyć przejeżdzający samochód ciężarowy i pociąg – z towarem i puste.

W przemyśle najwięcej jest jednak sensorów temperatury i ciśnienia.

Wzmacniacz instrumentalny można wykonać na jednym wzmacniaczu operacyjnym i czterech dokładnych rezystorach. Głownie wzajemna dokładność rezystorów decyduje o uzyskanym współczynniku tłumienia sygnału wspólnego CMRR. Różne są oporności na wejściach dodatnim i ujemnym i z tego względu układ nie jest szeroko stosowany. Oporności te bowiem generują błędy przy współpracy z sensorem.

Szeroko stosowane są wzmacniacze Instrumentalne wykonane na dwóch lub trzech wzmacniaczach operacyjnych i precyzyjnych ( i drogich ) rezystorach. Wzmacniacze takie omawiane są w literaturze i szkoda czasu na powtarzanie informacji.

Drogą nowością są scalone monolityczne wzmacniacze instrumentalne. Są one dużo droższe niż wzmacniacze operacyjne.

Schemat pokazuje budowę wzmacniacza instrumentalnego AD520 firmy Analog Devices.

Tranzystory T2,T3 poprzedzone wtórnikami emiterowymi T1,T4 zmniejszającymi prąd polaryzacji wejść stanowią wejściową parę różnicową z zewnętrznym rezystorem emiterowym na pinach 5 i 7. Tranzystory T5,6,7 stanowią desymetryzujące zwierciadło prądowe sterujące asymetrycznie quasi Darlingtona T8,9 w stopniu napięciowym sterującego wtórnik emiterowy T19 i dalej komplementarny emiterowy wtórnik wyjściowy. Pozornie nie ma tu niczego innowacyjnego... Ale źródła prądowe zasilające tranzystory pary różnicowej T11,13 przy różnicowym napięciu wejściowym różnym od zera dostarczają różnicowy prąd ( suma prądów pozostaje stała ) pokrywający dokładnie napięcie na rezystorze emiterowym ! Te lustrzane źródła prądowe sterowane są różnicowo z kolei z tranzystorów T23,30 sterowanych różnicowym prądem wyjściowym z drugiego wzmacniacza przetwarzającego w układzie aplikacyjnym napięcie wyjściowe pierwszego wzmacniacza ( jest to sygnał wyjściowy systemu ) na wewnętrzny różnicowy prąd sterujący pary wejściowe ( druga para tranzystorów to T34,35 )

Dla precyzji działania układu bardzo ważna jest taka sama wartość 6 rezystorów emiterowych R11,12 - R23,29 – R30,31. Natomiast sama wartość rezystancji jest nieistotna. Zatem układ nadaje się do produkcji w technologi monolitycznej gdzie względny rozrzut parametrów jest niewielki czego dowodzą niewielkie napięcie niezrównoważenia w konwencjonalnych wzmacniaczach operacyjnych.

Przy wzmocnieniu 1000 razy tłumienie CMRR tego wzmacniacza instrumentalnego wynosi 106 dB a dryft napięcia wejściowego wynosi 5 uV/C.

Układ daje wiele możliwości jego istotnego ulepszenia i znacznej poprawy parametrów.

Schemat jest nietrudno przekształcić do postaci wykonywalnej w technologi CMOS !

Konwencjonalne monolityczne wzmacniacze instrumentalne produkuje w świecie jeszcze tylko firma Burr - Brown zawzięcie konkurująca z AD.

BB produkuje karty analogowych wejść ( także wyjść ) do mikrokomputerów z mikroprocesorami Intela i Motoroli. W katalogu podano nawet w asemblerze treść procedury obsługi tego I/O.

Karta ma analogowy multiplexer na 8/16 wejść do sensorów, wzmacniacz instrumentalny, układ Sample Hold i 12 bitowy przetwornik A/D, „mocne” napięcie odniesienia do zasilania mostków sensorów oraz wyjściowe bufory 3 stanowe, dekoder adresu, układ sterujący, rejestry itd.

Wzmacniacz instrumentalny jest w karcie tylko jednym z elementów a wysiłek projektantów poszedł na opracowanie całej funkcjonalnej karty do mikrokomputera co skończyło się sukcesem. „Cel uświęca środki”

Niekonwencjonalnym wzmacniaczem instrumentalnym jest skomplikowany układ CMOS typu ICL7605 firmy Intersil. Układ składa się z dwóch części.

1.Osiem przełączników CMOS załącza dwa zewnętrzne kondensatory C3 i C4 (pojemności 1 uF) do różnicowego wejścia i wyjścia w ten sposób że naprzemiennie jeden z kondensatorów w cyklu dołączony jest zawsze do wejścia a drugi do wyjścia. Kondensatory „przenoszą różnicowe napięcie wejściowe na wyjście ale bez napięcia wspólnego ”

Tłumienie sygnału wspólnego zależy od pojemności kluczy i pojemności rozproszenia odniesionych do pojemności C3-C4. Współczynnik CMRR jest większy od 100 dB.

Klucze CMOS przełączane są z częstotliwością 160 Hz. Charakterystyka częstotliwościowa tego układu wynika z częstotliwości taktowania i stałej czasowej rezystancji kluczy i pojemności kondensatorów C3 i C4. Powyżej połowy częstotliwości taktowania czyli 80 Hz występuje niestety aliasing !

Ta część układu jest udana i warta naśladowania.

2.Druga (niezbyt udana ) część składa się z dwóch naprzemiennie samozerujących się wzmacniaczy operacyjnych z kondensatorami pamięci napięć niezrównoważenia C1 i C2 pracujących na wyjście na przemian. Układ ICL7605 powstał kilka lat wcześniej przed zapowiedzianym znakomitym układem wzmacniacza operacyjnego ICL7650 i taki jeden (!) układ winien tu być zintegrowany ! Przełączanie wyjść dwóch wzmacniaczy daje zakłócenia ( napięcia wyjściowe muszą się bowiem dopiero ustalić ) które muszą być eliminowane zewnętrznym filtrem dolnoprzepustowym. Precyzje działania nie jest więc wysoka.

Na kompletnym schemacie pokazano elektronikę klucza dynamometrycznego ( równie dobrze wagi ) stosującą pomiarowy mostek tensometryczny z ciekłokrystalicznym cyfrowym wyświetlaczem 3 1/2 cyfry z układem miernika ICL7106. Mostek tensometryczny jest zasilany napięciem niestabilizowanym z baterii 9V a przetwornik A/D pracuje ratiometrycznie !

Zwróćmy uwagę że dokładnie dokręca się tylko duże odpowiedzialne śruby w drogich produktach jak turbiny energetyczne czy silniki odrzutowe. Technologie zatem lgną do siebie i się wzajemnie napędzają. Przy okazji „Pieniądz robi pieniądz”