מעגל מגבר מכשור באמצעות op

כמעט כל סוגי החיישנים והמתמרים ממירים פרמטרים בעולם האמיתי כמו אור, טמפרטורה, משקל וכו 'לערכי מתח כדי שהמערכות האלקטרוניות שלנו יבינו את זה. השונות ברמת המתח הזו תעזור לנו בניתוח / מדידת הפרמטרים של העולם האמיתי, אך ביישומים מסוימים כמו חיישנים ביו-רפואיים וריאציה זו היא קטנה מאוד (אותות ברמה נמוכה) וחשוב מאוד לעקוב אחר הווריאציה הדקה אפילו קבל נתונים אמינים. ביישומים אלה משתמשים במגבר מכשור.

מגבר מכשור המכונה INO או in-amp כפי שהשם מרמז מגביר את הווריאציה במתח ומספק פלט דיפרנציאלי כמו כל מגברי-על אחרים. אך בניגוד למגבר רגיל, למגברי המכשור יהיה עכבת כניסה גבוהה עם רווח טוב תוך שהם מספקים דחיית רעשים במצב נפוץ עם כניסות דיפרנציאליות לחלוטין. זה בסדר אם לא תשיג את זה עכשיו, במאמר זה נלמד על מגברי ה- Instrumentation הללו ומכיוון שה- IC האלה הם יקרים יחסית למגברי Op- נלמד גם כיצד להשתמש במגבר אופ-רגיל כמו LM385 או LM324 לבניית מגבר מכשור והשתמש בו ליישומים שלנו. ניתן להשתמש במגברים אופטיים לבניית תוסף מתח ומעגל מתח.

מהו IC IC מגבר מכשירים?

מלבד IC של מגברים אופטיים רגילים יש לנו סוג מיוחד של מגברים עבור מגבר מכשור כמו INA114 IC. זה לא יותר ממעט מגברי אופ רגילים המשולבים יחד ליישומים ספציפיים מסוימים. כדי להבין יותר על כך אנו יכולים להסתכל בגליון הנתונים של INA114 עבור תרשים המעגל הפנימי שלה.

כפי שאתה יכול לראות, ה- IC לוקח שני מתח אות V _IN - ו- V _IN +, בואו נתייחס אליהם כ- V1 ו- V2 מעכשיו לשם קלות ההבנה. ניתן לחשב את מתח המוצא (V _O) באמצעות הנוסחאות

V _O = G (V2 - V1)

איפה, G הוא הרווח של המגבר הניתן וניתן לכוון אותו באמצעות הנגד החיצוני R _G ולחשב אותו באמצעות הנוסחאות שלהלן

G = 1+ (50k Ω / RG)

הערה: הערך 50k אוהם חל רק על INA114 IC מכיוון שהוא משתמש בנגדים של 25k (25 + 25 = 50). אתה יכול לחשב את הערך עבור מעגלים אחרים בהתאמה.

אז בעצם עכשיו אם אתה מסתכל על זה, מגבר In פשוט מספק את ההבדל בין שני מקורות מתח עם רווח שניתן לכוון על ידי נגד חיצוני. זה נשמע מוכר? אם לא תסתכל על עיצוב המגבר הדיפרנציאלי וחזור.

כן !, זה בדיוק מה שמגבר דיפרנציאל עושה ואם תסתכלו מקרוב תוכלו אפילו לגלות שהמגבר ה- A3 בתמונה הנ"ל אינו אלא מעגל מגבר דיפרנציאלי. כך שבמונחי הדיוטות, מגבר מכשור הוא סוג אחר של מגבר דיפרנציאלי אך עם יתרונות נוספים כמו עכבת כניסה גבוהה ושליטה קלה ברווח וכו '. יתרונות אלה הם בגלל שני המגברים האחרים (A2 ו- A1) בתכנון נלמד עוד על כך בכותרת הבאה.

הבנת מגבר המכשור

כדי להבין לחלוטין את מגבר ה- Instrumentation, בואו נפרק את התמונה לעיל לבלוקים משמעותיים כפי שמוצג להלן.

כפי שאתה יכול לראות, ה- In-Amp הוא רק שילוב של שני מעגלי מגבר-מגבר Buffer ומעגל מגבר-מגבר דיפרנציאלי. למדנו על שני עיצובי המגברים האלה בנפרד, כעת נראה כיצד הם משולבים ליצירת מגבר אופ-דיפרנציאלי.

ההבדל בין מגבר דיפרנציאלי למגבר מכשור

כבר למדנו כיצד לתכנן ולהשתמש במגבר דיפרנציאלי במאמר הקודם שלנו. מעט חסרונות משמעותיים של מגבר דיפרנציאלי הוא שיש לו עכבת כניסה נמוכה מאוד בגלל נגדי הכניסה ויש לו CMRR נמוך מאוד בגלל רווח המצב הנפוץ הגבוה. אלה יתגברו במגבר מכשור בגלל מעגל החיץ.

גם במגבר דיפרנציאלי עלינו לשנות הרבה מאוד נגדים בכדי לשנות את ערך הרווח של המגבר אך במגבר דיפרנציאלי אנו יכולים לשלוט ברווח פשוט על ידי כוונון של ערך נגד אחד.

מגבר מכשור באמצעות מגבר אופ (LM358)

עכשיו בואו לבנות מגבר מכשור מעשי באמצעות מגבר אופ ונבדוק איך זה עובד. מעגל מגבר מכשור op-amp כי אני משתמש הוא כדלקמן.

המעגל דורש שלושה מגברים אופ-ביחד; השתמשתי בשני ICs LM358. ה- LM358 הוא מגבר אופציונלי חבילה כפול, כלומר יש לו שני מגברים אופטיים בחבילה אחת ולכן אנו זקוקים לשניים מהם למעגל שלנו. באופן דומה ניתן גם להשתמש בשלושה חבילות LM741 op-amp או חבילה אחת LM324 op-amp.

במעגל הנ"ל, מגבר ה- U1: A ו- U1: B משמש כמאגר מתח זה מסייע להשגת עכבת כניסה גבוהה. מגבר ה- U2: A משמש כמגבר אופפרנציאלי. מכיוון שכל הנגדים של מגבר ההפרש הם 10k הוא פועל כמגבר דיפרנציאלי של רווח אחדות, כלומר מתח המוצא יהיה הפרש המתח בין סיכה 3 לסיכה 2 של U2: A.

מתח המוצא של מעגל מגבר Instrumentation ניתן לחשב באמצעות נוסחה מתחת.

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

איפה, R = ערך הנגד למעגל. כאן R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 שהוא 10k

Rg = נגד רווח. כאן Rg = R1 שזה 22k.

אז הערך של R ו- Rg קובע את הרווח של המגבר. ניתן לחשב את ערך הרווח על ידי

רווח = (1+ (2R / Rg))

סימולציה של מגבר מכשור

המעגל הנ"ל כאשר מדומה נותן את התוצאות הבאות.

כפי שניתן לראות מתח הכניסה V1 הוא 2.8V ו- V2 הוא 3.3V. הערך של R הוא 10k והערך של Rg הוא 22k. הכנסת כל הערכים הללו לנוסחאות הנ"ל

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V

אנו מקבלים את ערך מתח המוצא 0.95 וולט שתואם את הסימולציה לעיל. אז הרווח של המעגל הנ"ל הוא 1.9 והפרש המתח הוא 0.5 וולט. אז מעגל זה בעצם ימדוד את ההבדל בין מתח הכניסה ויכפיל אותו עם הרווח וייצר אותו כמתח המוצא.

ניתן גם להבחין כי מתח הכניסה V1 ו- V2 מופיע על פני הנגד Rg. זה נובע מהמשוב השלילי של המגבר U1: A ו- U1: B. זה מבטיח כי ירידת המתח על פני Rg שווה להפרש המתח בין V1 ל- V2 הגורם לזרימת כמות שווה של זרם דרך הנגדים R5 ו- R6 מה שהופך את המתח על סיכה 3 וסיכה 2 לשווה על מגבר U2: A. אם אתה מודד את המתח לפני הנגדים, אתה יכול לראות את מתח המוצא בפועל ממגבר ה- U1: A ו- U1: B שההפרש שלהם יהיה שווה למתח היציאה כפי שמוצג לעיל בסימולציה.

בדיקת מעגל מגבר המכשור על חומרה

תיאוריה מספקת מאפשרת למעשה לבנות את אותו מעגל על לוח לחם ולמדוד את רמות המתח. הגדרת החיבור שלי מוצגת למטה.

השתמשתי בספק הכוח של קרש הלחם שבנינו קודם. לוח זה יכול לספק גם 5 וולט וגם 3.3 וולט. אני משתמש במעקה 5V כדי להניע את שני מגברי ה- OP שלי ואת ה- 3.3V כמתח קלט האות V2. מתח הכניסה האחר V2 מוגדר ל- 2.8V באמצעות ה- RPS שלי. מכיוון שהשתמשתי גם נגד 10k עבור R ו- 22k נגד R1, הרווח של המעגל יהיה 1.9. מתח ההפרש הוא 0.5 וולט והרווח הוא 1.9 תוצר אשר ייתן לנו 0.95 וולט כמתח יציאה שנמדד ומוצג בתמונה באמצעות מולטימטר. העבודה המלאה של מעגל מגבר מכשור היא להראות בסרטון מהקישור הבא.

באופן דומה ניתן לשנות את הערך של R1 כדי לקבוע את הרווח כנדרש באמצעות הנוסחאות שנדונו לעיל. מכיוון שניתן לשלוט ברווח של מגבר זה בקלות רבה באמצעות נגן יחיד, הוא משמש לעתים קרובות לבקרת עוצמת קול עבור מעגלי שמע.

מקווה שהבנת את המעגל ונהנית ללמוד משהו מועיל. אם יש לך שאלות השאיר אותן בסעיף ההערות למטה או השתמש בפורום למענה מהיר יותר.