Существует множество приложений, в которых АЦП должен обрабатывать слабый дифференциальный входной сигнал в присутствии большого синфазного сигнала. Традиционные инструментальные усилители (ИУ) обычно не используются в таких приложениях из-за их несимметричных выходов и ограниченного диапазона синфазных сигналов. Чтобы воспользоваться преимуществами их высоких характеристик и низкой стоимости, можно разработать простую схему, которая будет преобразовывать их несимметричный выходной сигнал в дифференциальный, а также расширять диапазон синфазных входных сигналов, чтобы они подходили для этих приложений. Существует множество недорогих ИУ с полосой пропускания, точностью по постоянному току и низким энергопотреблением, которые могут удовлетворить всем системным требованиям. Еще одним преимуществом использования инструментальных усилителей является то, что пользователям не нужно создавать собственные дифференциальные усилители, для которых требуется множество дорогостоящих дискретных компонентов. В этой статье представлен простой способ создания и оптимизации характеристик недорогого ИУ. Кроме того, по стоимости и характеристикам это решение не уступает монолитным инструментальным усилителям.
На Рисунке 1 подробно описана конструкция предлагаемой прецизионной системы, позволяющей измерять дифференциальные сигналы при наличии высокого синфазного напряжения. Схема включает в себя входной буфер, драйвер АЦП и источник опорного напряжения. Буфер управляет выводом опорного напряжения инструментального усилителя и преобразует несимметричный выходной сигнал в дифференциальный. Диапазон его входных синфазных напряжений очень высок. Он может выдерживать синфазные напряжения до ±270 В (при напряжении питания ±15 В); это почти в 20 раз выше и ниже напряжений шин питания, что имеет решающее значение для приложений управления двигателями. Кроме того, его входы защищены от синфазных или дифференциальных импульсов напряжения до ±500 В.
 |
|
| Рисунок 1. | Усилитель с несимметричным входом и дифференциальным выходом. |
Для этого приложения используются источники питания ±5 В, поэтому диапазон синфазных входных напряжений может составлять ±80 В.
Дифференциальное выходное напряжение определяется следующей формулой:
где G – коэффициент усиления инструментального усилителя. Выходное синфазное напряжение определяется выражением:
Преимущество этой схемы заключается в том, что точность дифференциального сигнала по постоянному току зависит от дифференциального усилителя AD629 и инструментального усилителя AD8421, а не от операционного усилителя или внешних резисторов 10 кОм. Кроме того, в этой схеме реализовано преимущество точного управления выходным напряжением ИУ относительно опорного напряжения. Хотя характеристики по постоянному току и согласование резисторов операционного усилителя влияют на точность выходного синфазного сигнала, эти ошибки, скорее всего, будут устранены следующим устройством в сигнальной цепи и, следовательно, не окажут большого влияния на общую точность системы.
Для достижения наилучших характеристик по переменному току рекомендуется использовать операционный усилитель с высокой полосой пропускания и скоростью нарастания. В этой схеме в качестве операционного усилителя выбрана микросхема ADA4807.
Чтобы избежать паразитной емкости, которая может сделать ADA4807 неустойчивой, дорожки печатной платы от резисторов до инвертирующего входа следует сделать как можно более короткими. Если использование более длинных дорожек неизбежно, нужно использовать резисторы с меньшим сопротивлением.
Высококачественные АЦП обычно работают от одного источника питания 5 В и имеют собственный источник опорного напряжения. Это напряжение используется в качестве синфазного напряжения для дифференциального выхода, что устраняет необходимость в отдельном источнике опорного напряжения. Таким образом, выходной сигнал является логометрическим по отношению к АЦП, а значит, любое изменение опорного напряжения VREF АЦП не влияет на характеристики системы.
Способность этого дифференциального усилителя подавлять синфазное напряжение определяется точностью лазерной подгонки соотношения сопротивлений внутренних резисторов микросхемы дифференциального усилителя AD629. Поэтому он превосходит ИУ, построенные на дискретных усилителях.
Коэффициент подавления синфазных напряжений дискретных усилителей с внешними резисторами с допуском 0.1% ограничен значением 54 дБ. Благодаря интегрированным прецизионным резисторам с лазерной подгонкой инструментальные усилители позволяют достичь подавления синфазных напряжений системы 80 дБ или лучше. Кроме того, эти резисторы изготавливаются из одного тонкопленочного материала с низким дрейфом параметров, поэтому температурная стабильность их коэффициентов согласования превосходна.
АЦП может работать от одного источника питания 5 В с низкоимпедансным источником 2.5 В на выводе опорного напряжения. Это смещает выходной сигнал на середину напряжения питания и повышает синфазное напряжение на входах АЦП.
Осциллограммы выходных сигналов представлены на Рисунке 2. Коэффициент усиления обоих инструментальных усилителей равен 1. Входной сигнал представляет собой синусоиду частотой 10 кГц и размахом 1 В пик-пик, наложенную на большое синфазное напряжение. VOUT+ и VOUT– – это синусоидальные и косинусоидальные сигналы с размахом ±0.5 В пик-пик. VOUT_DIFF – это дифференциальное выходное напряжение 1 В пик-пик, которое просто равно VIN с удаленной синфазной составляющей.
 |
|
| Рисунок 2. | Характеристики схемы. Вверху – два комплементарных выхода, посередине – входное напряжение с большой синфазной составляющей, внизу – дифференциальный выход. |
Усиление входного ИУ можно увеличить, добавив резистор RG:
Эта схема также может использоваться в приложениях с ограничениями по потребляемой мощности. При общем собственном токе потребления 5 мА и двуполярном источнике питания 5 В она потребляет около 50 мВт, что на 50% меньше, чем другие решения с первичными драйверами АЦП (например, усилители дифференциальных драйверов AD8138 и AD8131) или с дискретными усилителями.
Купить AD629 на РадиоЛоцман.Цены
