仪表放大器(IA)用于放大信号的差模并抑制其共模分量

我们使用的一些电信号被称为相对于地面“浮动”。一个典型的例子可能是电源中分流电阻器上的电压降或复杂的生物医学信号,例如心电图。在这种情况下,仪表放大器 (IA) 用于放大信号的差模分量并抑制其共模分量。

仪表放大器需要在设计过程中使用真实信号进行测试,并在实际使用过程中定期进行测试。还应通过将已知的校准测试信号应用于其输入来评估 IA,以确定其精度、共模信号抑制以及它如何受到使用中可能发生的各种错误连接的影响。用于医疗 IA 的测试信号源应产生适当形状的信号 U OUT,其幅度范围为几毫伏信号发生器 函数发生器 区别,频率范围为 0 到几 kHz。源应该有(两个)差分输出,可以连接到 IA 的相应输入,如图 1 所示。

图1差分信号源

输出电阻 RG1 和 RG2 应至少为几千瓦,以模拟它们将在现实生活中测量的对象的特性。此外,两个输出都应与地电隔离,但应提供公共参考来测试 AI 抑制共模干扰的能力。

有许多不同类型的测试信号源可用。每种类型,从函数发生器开始,到专门的数字合成器结束,都提供不同级别的精度和复杂性。许多提供适当幅度和频率范围内的信号,有些甚至可以模拟心电图、脑电图和其他医疗信号。但是,使用这些电源可能具有挑战性,因为它们中的许多具有单端输出,并且与地面的隔离不足以进行共模分离测试。

这些信号源可以通过添加将单端信号转换为差分信号并确保电位分离的驱动电路来测试 IA。本文介绍了这种电路的设计、构造和应用。它的输出可以与地隔离并提供“公共”信号。此外,还可以调整模拟信号的阻抗以匹配单端信号源的阻抗。

模拟信号的实用光隔离

使用光耦合器 (OC) 实现输入和输出之间的隔离,该光耦合器在同一封装中包含一个发光二极管 (LED) 和光电二极管 (PD)。 PD 充当检测器、光电流发生器,其中通过 PD 的电流与通过 LED 的信号产生的光成正比。

对于涉及差分信号的应用,具有单个 LED 驱动两个 PD 的双通道 OC,例如 Vishay 的 IL300。通常首选双通道设备,以确保将两个通道的响应之间的任何变化(由于制造变化)保持在最低限度。在此应用中,来自 LED 的光被引导到两个 PD,其中一个可用于监控 LED 产生的光量,从而为驱动 LED 提供线性反馈。第二个 PD 用于将信号通过隔离栅实际传递到输出。参考文献 3 提供了几个包含 OC 的电路示例。但是,所有这些示例都需要在 OC 的输出侧使用运算放大器,因此也可能需要分离(隔离)电源。

光耦合器通常用于为数字数据流提供电气隔离。在这些应用中,它们在“饱和模式”下运行,在这种模式下,LED 的驱动足以在开启时使 PD 完全饱和,而在关闭时消耗很少的电流,从而产生干净的数字脉冲序列。然而,在此应用中,OC 在其线性范围内运行,有时称为光伏模式,其中 PD 产生与 LED 发出的光成比例的信号。我们的 DI 使用 OC 的光伏模式将模拟测试信号与信号发生器隔离。图 2 显示了一个带有线性 OC 的简单电路,其中 PD 用于光伏模式,类似于太阳能电池。

图 2 使用线性光耦合器的简单电路。

图片[1]-仪表放大器(IA)用于放大信号的差模并抑制其共模分量-老王博客

通过 PD1 和 PD2 的电流通过负载电阻 R3 和 P1 转换为电压。只要两个电压(UPD1 和 Uout)都保持在 PD 的线性范围内(在我们的例子中小于 50mV),它们的幅度将与 LED 产生的光量成正比。运算放大器 U1 将信号 U PD1 与输入信号 U IN 进行比较,并驱动 LED 相等。微调器P1用于调节电路的增益(U OUT / U IN),电容C2防止振荡。

输出U OUT(我们的测试信号源)来自第二个光电二极管PD2,与地隔离;其内阻由R3决定。光伏模式通常不与线性 OC 一起使用,因为可用的输出电压范围仅限于几 mV。对于此应用,首选 PV 模式,因为它在 OC 的输出端不需要任何功率,而且所需的输出信号也很小。

特殊要求的隔离更改

图2中的电路只能输出正电压U OUT (因为电流通过LED和两个PD只能沿一个方向流动)。这个问题可以通过在输入信号 U IN 中添加一个小的正偏移来解决,大多数信号发生器都提供偏移调整。然而,这也给输出信号U OUT 添加了直流偏移。如果可以容忍直流偏置输出,或者可以通过添加具有合适转角频率的 RC 高通滤波器来抑制不需要的直流输出,并且接受修改的频率响应,那么图 2 中的电路就足够了。

如果驱动器的输出信号需要没有直流偏移,并且其频率响应必须一直下降到 0 Hz,则应从输出中减去直流偏移。在这种情况下,可以使用第二块电池和微调电位器来解决问题。然而,不需要第二块电池的更简单的解决方案如图 3 所示。该电路增加了第二个直流驱动的 OC (U3),其输出 PD 与 OC U2 的输出 PD 反并联。直流电流通过OC U3由P7设置补偿OC U2的偏置电流。

图 3 光隔离差分驱动器的完整原理图。

该设计还包括一个低功耗运算放大器(OPA349),主要是因为它的输入共模范围超出电源轨 200 mV,而且它需要的功率非常小。因此信号发生器 函数发生器 区别,整个电路的电流消耗大约 1 mA。由于原型由两节 AAA 电池供电,因此它的使用寿命应该接近 1000 小时。

需要注意的是,输入信号的最大范围和电路的功耗在很大程度上取决于偏置电平。通过电阻分压器 R5/R6 将偏置固定在 20 mV,它将通过 OC U2 中 LED 的偏置电流设置为大约 500 mA。应为 U3 中的 OC 设置类似的 LED 电流。在原始电路的这个变体中,输入信号不需要从地偏移,因为电阻分压器由 R4 到 R6 组成。

此电路的最大可接受输入电压 (U in ) 约为 ±5 V。超出此输出,信号失真,部分原因是 20 mV 的低偏移,部分原因是 PD 在PV模式边缘的非线性OC U2。对于 1 V pp 输入信号,可以预期 1 mV pp 输出信号和低于 -40 dB 的谐波。频率响应从 0 Hz 扩展到大约 10 kHz (-3dB)。

设置和调整

组装好的电路如下图4所示。

图4的完整电路。注意微调器P1被省略,因为在这种情况下不需要校准电路的增益。

电路的调谐首先向 U IN 施加大约 500 Hz 和 4 V pp 的正弦信号,并用示波器观察输入和输出 (U OUT ) 信号。注意:必须使用 10:1 探头(最少)。然后调整微调器 P1 以在两个轨道上获得 1000:1 的幅度比。最后调整微调器P7,使U OUT 处的平均输出信号为零。

© 版权声明
THE END
喜欢就支持一下吧
点赞0
分享
评论 抢沙发

请登录后发表评论