Warum ist die Ausgangsspannung meines Instrumentenverstärkers völlig falsch?

Ich versuche, die Spannung meiner Wägezelle zu verstärken (Wheatstone-Brücke, glaube ich), aber meine berechneten Werte stimmen nicht mit meinen experimentellen Werten überein.

Die Wägezelle gibt eine Differenzspannung von 0,1 mV - 5 mV (gemessen mit einem Voltmeter) aus, und ich möchte sie auf 0 V - 5 V (anfänglich, dann von 0,3 V - 3,3 V) erhöhen.

Die Operationsverstärker, die ich verwende, sind MCP6273 "170 μA, 2 MHz Rail-to-Rail-Operationsverstärker".

Probleme:

  1. Die erste Stufe verstärkt die Spannung - ich lege eine 2,5-kg-Masse auf die Wägezelle und sie gibt wie erwartet eine Spannung von 2,5 mV Differenzspannung aus. Als ich jedoch die Differenzspannung zwischen den Ausgängen des Operationsverstärkers der ersten Stufe (alle Widerstände entfernt, Einheitsverstärkung) gemessen habe, erhalte ich eine Differenzspannung von 7,8 mV. Warum?

  2. Ausgang der zweiten Stufe ist komplett falsch. R1 und Rgain sind jeweils 1 kOhm. R2 hat 470 Ohm, R3 hat 100 kOhm. Dies sollte mir eine Verstärkung von 638 geben (dh 63,8 mV - 3,19 V am Ausgang). Aber auch ohne Last (dh 0 mV) beträgt der Ausgang 3,3 V. Bei 2,5 kg (dh 2,5 mV) trifft es auf die 5-V-Schiene.

    • Die Anschlüsse habe ich mehrfach überprüft
    • Ich habe versucht, den Eingang einfach zu puffern (dh ohne R1/Rgain/R1)
    • Alle Operationsverstärker sind identisch

Was mache ich falsch?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Unabhängig davon, was Ihnen beigebracht wurde, Sie werden nicht in der Lage sein, einen Instrumentenverstärker aus Teilen zu bauen, wie Sie es oben getan haben, der in Bezug auf die Leistung annähernd so gut ist wie ein kommerzieller Instrumentenverstärker, selbst eine kostengünstige Option. Ich empfehle analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD622.pdf für etwa 6 $
Versorgen Sie die Operationsverstärker aus einer einzigen Versorgung? (Negative Spannungsschiene geerdet.) (Das könnte angesichts der von Spehro besprochenen Offsetspannung ein Problem sein.) .... Ich denke, es ist besser (aus CMRR-Gründen), den größten Teil der Verstärkung in der ersten Stufe zu behalten und nicht das Differential Abschnitt. Aber das ist irgendwie ein Problem auf höherer Ebene
@GeorgeHerold Ja, die negative Schiene ist 0 V Masse. Warum ist dies ein Problem für die Offset-Spannung?
@ tgun926, Nun, ich bin mir nicht ganz sicher, wie die Wägezelle verdrahtet ist. Wenn es jedoch in der Nähe von Masse vorgespannt ist, könnte ein großer Offset am negativen Operationsverstärker (V1 oben) ihn aus dem Bereich treiben. (mindestens nahezu Nulllast)
@ScottSeidman Danke für deinen Vorschlag. Ich hatte einen MCN6N11-Instrumentierungsverstärker dabei (hatte keine Breakout-Boards dabei, musste ihn also auf einer Platine bauen), den ich einfach verkabelt habe - hat wie ein Zauber funktioniert! Zeigt, dass diese "kleinen" Offset-Spannungen Ihre Ergebnisse wirklich verfälschen können.

Antworten (2)

Die Offsetspannung jedes verwendeten Operationsverstärkers kann bei Raumtemperatur bis zu +/- 3 mV betragen. Die Differenz zwischen zwei Ausgängen könnte also bis zu 6 mV von den Eingängen mit Einheitsverstärkung abweichen. Sie sehen 5,4 mV, was groß ist, aber innerhalb der Spezifikationen und daher plausibel ist.

Da Sie in der ersten Stufe nicht viel Verstärkung haben (nur 3), müssen Sie auch die Offsetspannung in der zweiten Stufe berücksichtigen. In jedem Fall beträgt das 638-fache Ihrer gemessenen differentiellen Eingangsoffsetspannung von 5,4 mV + 2,5 mV Signal fast 5 V.

Sie können entweder bessere Operationsverstärker verwenden (z. B. Autozero- oder Nulldrift-Typen) oder die Offset-Spannung auf irgendeine Weise auf Null setzen (Trimpot oder die Verstärkung verringern und dies digital tun). Sie sollten auch die Drift der von Ihnen verwendeten Operationsverstärker berücksichtigen, die nicht garantiert wird, aber normalerweise ziemlich vernünftig ist (+/-1,7 uV/K).

Die Kalibrierung von Instrumenten-Operationsverstärker-Setups wie diesem könnte durch Scoping des Ausgangs und Verwendung eines Potis am "Trim" - oder "Offset" -Pin erfolgen, wenn das Operationsverstärker-Paket / -Gerät dies hat, ja? Ich habe mich immer gefragt, was der Sinn davon ist, aber ich kann deutlich sehen, warum sie jetzt nützlich wären! Die Kalibrierung würde im Laufe der Zeit auch abweichen oder sich verschlechtern, sodass ich auch verstehe, warum Techniker die Geräte möglicherweise regelmäßig neu einstellen müssen.
@KyranF Ja, in der Tat. In den dunklen Zeiten habe ich sogar einen computergesteuerten Ofen entworfen, um ein paar hundert Operationsverstärker gleichzeitig zu testen, damit wir billige Operationsverstärker für Präzisionszwecke verwenden können. Heutzutage ist das nicht mehr nötig, kaufen Sie einfach, was Sie brauchen. Davor (als ich ein kleiner Junge war) haben wir sogar handgetrimmte drahtgewickelte Widerstände anstelle von Trimpotis verwendet, um den Offset zu kompensieren. Was für ein Schmerz das war, aber sehr stabil und wenig Chance auf das, was wir "Schraubendreherdrift" nennen.
VIEL besser, einfach einen richtigen Instrumentenverstärker zu verwenden, als einen mit Operationsverstärkern zu bauen.
Woher kommt der Wert 5,4 mV in Ihrer Antwort? Ist das Nullen der Offsets mit einem Operationsverstärker wie meinem möglich (er hat keine Offset-Null-Pins)?
Der Unterschied zwischen dem, was Sie messen, und dem, was die Eingabe ist, ist die Summe (mit entsprechenden Vorzeichen) der beiden Eingabe-Offsets, wenn die Verstärkungen beide Eins waren. Der Offset des gesamten Verstärkers kann durch Ändern des Referenzeingangspotentials (und auf andere Weise) auf Null gesetzt werden, aber es gibt Probleme, insbesondere bei Einzelversorgungsaufbauten.
Ich habe am Ausgang 7,8 mV gemessen, als der Eingang 2,5 mV betrug - ist das nicht ein Offset von 5,3 mV?
Muss ein Rundungsfehler sein, da ein Telefonrechner verwendet wurde ;-)

Geben Sie allen OPAMPs separate +VCC & -VEE. Ihre Anforderung ist, 0-5 V für einen 0-5 mV-Eingang zu erhalten. Die Verstärkung der Instrumentierung sollte also 1000 betragen. Berechnen Sie die Widerstandswerte für eine Verstärkung von 1000 des Instrumentenverstärkers. Verwenden Sie einen invertierenden Verstärker am Ausgang, wenn Sie einen negativen Instrumentenausgang erhalten. Für 1000 Verstärkung, R2=1k, R3=8,2k, Rgain=1k, R1=60k.

Warum ist die Ausgangsspannung meines Instrumentenverstärkers völlig falsch?
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