Разработка и моделирование принципиальной схемы

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители (ИУ) – это прецизионные усилительные блоки, которые имеют дифференциальный вход, а их выход может быть дифференциальным или несимметричным по отношению к опорному напряжению. Эти усилители обеспечивают усиление разности между напряжениями двух входных сигналов, ослабляя любые сигналы, которые являются общими для обоих входов. Инструментальные усилители широко применяются во многих задачах сбора данных, промышленных, измерительных и медицинских приложениях, где требуется поддержание высокой точности статических характеристик и малой погрешности коэффициента усиления на фоне шумов и в присутствии сильных синфазных сигналов (обычно, на частоте напряжения питания сети переменного тока).

Выберем инструментальный усилитель с типом корпуса SOIC(SO) (Small-Outline Integrated Circuit) — тип корпуса микросхемы, предназначенный для поверхностного монтажа.

Рассмотрим несколько моделей с похожими характеристиками:

Наименование	Input offset current max (nA) Максимальный ток смещения (нА)	Input voltage offset max (µV) Максимальное напряжение смещения (мкВ)	CMRR (dB) Коэффициент подавления синфазной помехи (дБ)	Operating voltage range (V) Напряжение питания (В)	BW (kHz) Диапазон рабочих частот (кГц)
AD620				±2,3 to ±18
AD622				±2,6 to ±18
AD8230				±4 to ±8 8 to 16
AD8421B	0,5			±2,5 to ±18
AD8221A				±2,3 to ±18

Выберем инструментальный усилитель AD8221A, поскольку у него наименьшие ток и напряжение смещения, допустимые коэффициент подавления синфазной помехи и диапазон рабочих частот. Коэффициент усиления примем равным 5.

Прибор имеет высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) во всей рабочей полосе частот. Эта характеристика позволяет прибору подавлять синфазные помехи в диапазоне частот до 100 кГц. Кроме того, прибор AD8221 выпускается в миниатюрном корпусе, позволяющем экономить место на плате.

Ввиду высокого КОСС, системные ошибки сводятся к минимуму. Шумы, такие как помехи от работающих двигателей и коммутируемых источников питания и высокочастотные помехи от медицинского оборудования, существенно подавляются этим прибором, имеющим КОСС на частоте 10 кГц не менее 100 дБ (при Ку=10, версия BRM) и еще большее значение на частоте 100 кГц.

AD8221 работает от однополярных и двухполярных источников питания. Прибор предназначен для работы с максимальным двухполярным напряжением питания ±15 В.

Основные электрические параметры инструментальных усилителей данного класса следующие:

- стандартное напряжение питания ±15 В;

- потребляемый ток 1,5…12 мА;

- входное напряжение смещения (при температуре 25°С) 25…500 мкВ и его дрейф 0,3…10 мкВ/°С;

- входные токи смещения (при температуре 25°С) 0,03…100 нА и ток сдвига 0,01…40 нА;

- напряжение шумов (в полосе частот от 0,1 до 10 Гц) 0,2…6 мкВ;

- входное сопротивление (входная емкость) от единиц мегаом до нескольких гигаом (1…100 пФ);

- диапазон значений коэффициента усиления 0,1…10000 и точность его установки 0,02…0,4 %;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала на постоянном токе 80…120 дБ;

- скорость нарастания выходного напряжения от единиц до десятков и сотен В/мкс.

Требуемое усиление обеспечивает резистор RG. Размещение резистора RG устанавливает усиление AD8221, которое может быть вычислено на основе табличных данных или при помощи уравнения усиления:

Таблица 1 - Усиление при использовании резисторов с погрешностью 1%.

Необходимо обеспечить усиление сигнала в 5 раз. Для этого выберем чип резистор 0603 1% для поверхностного монтажа SMD номиналом 12 кОм.

Пиковый детектор

Пиковые детекторы применяются для определения пиковых значений входного колебания. В простейшем случае для этой цели можно использовать диод и конденсатор. Однако, эта схема нечувствительна к малым напряжениям из-за присутствующего диода.

Учтем особенности измеряемого сигнала, а именно то, что, во-первых, реосигнал состоит из двух компонент – так называемых базового и дифференциального импеданса. Во-вторых, базовый импеданс – это некоторая положительная константа. Следовательно, измеряемый реосигнал – не близкая к нулю величина, а значит, в данном случае можно применить простейшую схему детектора.

Осуществим подбор параметров.

Промоделируем детектор в среде MicroCap.

Рис.4. Пиковый детектор в среде MicroCap.

Рис.5. Анализ переходных процессов паикового детектора в среде MicroCap/

Рис.6. Анализ переходных процессов паикового детектора в среде MicroCap/

АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Необходимый сигнал на входе в АЦП примем равным 5V.

Для согласования измеренного аналогового сигнала с АЦП необходимо определить диапазон необходимого усиления сигнала.

Для обработки реограмм чаще всего используется АЦП разрядностью 12 бит.

Тогда разрешающая способность АЦП будет иметь значение

Диапазон измерения базового сопротивления 10 – 200 [Ом], дифференциального сопротивления – 0,01 – 2 [Ом]. Величина измерительного тока 1 [мА].

Тогда максимальное значение «базового» напряжения составит 200 [мВ].

Рассчитаем коэффициент усиления из условия: , где - максимальная амплитуда входного сигнала.

Следовательно, Kubaz ≤ 25.

Максимальное значение «дифференциального» напряжения 2 [мВ]. Тогда для «дифференциального» напряжения:

Kudif ≤ 2500