Wozu wird eine Verstärkerstufe in einer Datenerfassungshardware benötigt?

Sie würden einen Unity-Gain-Puffer auf der Eingangsseite des ADC einbauen, um die Eingangsimpedanz zu erhöhen, da der ADC wahrscheinlich eine niedrigere Impedanz als ein Operationsverstärker hat.

Dadurch wird vermieden, dass die Anzeige von der Quellenimpedanz abhängig ist, und ermöglicht bei Bedarf auch eine Impedanzanpassung an der Senke (dh Sie können einen Abschlusswiderstand hinzufügen und die resultierende Eingangsimpedanz liegt nahe am Widerstandswert).

Dies ist besonders wichtig für höherfrequente Signale, bei denen die ADC-Eingangsimpedanz frequenzabhängig wäre, während ein Abschlusswiderstand nur wenig Kapazität und Induktivität hat, was einen flachen Frequenzgang ergibt.

Sie können optional einen anderen Verstärkungsfaktor konfigurieren, wenn dies in der Anwendung sinnvoll ist.

1) Um den ADC und die Signalquelle zu isolieren. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers hat eine enorme Eingangsimpedanz, sodass die Signalquelle nicht belastet wird.

2) Es gibt eine negative Rückkopplung zu jedem Operationsverstärker der Eingangsstufe. Dieser wirkt wie ein Proportionalregler, der Ausgang des Operationsverstärkers wird mit dem Eingangssignal verglichen und der Ausgang korrigiert, wenn sie sich hinsichtlich ihrer Verstärkung oder Dämpfung unterscheiden.

1) Auch wenn die IA-Stufe nicht verstärkt, bietet sie andere Funktionen:

• Puffern Sie das Eingangssignal, so dass am Eingang des ADC vorhandene Störungen den Multiplexer nicht erreichen können.

• eine gut definierte Eingangsimpedanz für den Multiplexer und/oder die mit dem Multiplexer verbundenen Schaltungen bereitzustellen.

• Bereitstellen eines gepufferten Signals für den ADC. Der ADC benötigt möglicherweise einen (kleinen) Eingangsstrom, er kann eine unendliche Eingangsimpedanz haben. Wenn der IA vorhanden ist, gibt es kein Problem, solange der IA die Eingangsimpedanz des ADC treiben kann.

2) Die IA besteht aus Operationsverstärkern mit Feedback . Solche Schaltungen unterdrücken die Nichtlinearität der Schaltungen (in den Operationsverstärkern), indem sie eine übermäßige Schleifenverstärkung aufweisen.

Nehmen wir an, der Operationsverstärker hat eine Spannungsverstärkung von 10000 (10k) bei einer bestimmten Frequenz, aber Sie konfigurieren die Rückkopplung so, dass der Operationsverstärker mit Rückkopplung eine Verstärkung von 10 hat, dann beträgt die überschüssige Schleifenverstärkung 10000/10 = 1000, was einen Faktor 1000 bedeutet Unterdrückung von Nichtlinearitäten. 10 % Verzerrung würden also auf 0,01 % Verzerrung reduziert.

Außerdem wird dieses Differenzpaar nicht mehr als ein paar mV an seinen Eingängen haben. Es muss also nicht mit 10 V oder 2,5 V arbeiten, das kann es sowieso nicht. Operationsverstärker arbeiten nur dann linear, wenn sie eine große Verstärkung haben, was dazu führt, dass die Eingangsspannung (des Differenzialpaars) ziemlich klein ist. Beispiel: Wenn ein Operationsverstärker 2 V ausgeben muss und eine Verstärkung von 10000 hat, beträgt die Spannung am Eingang nur 2 / 10000 = 0,2 mV.

Die DAQ-Eingangsstufe kann das Signal durchaus um etwa 2:1 oder 4: abschwächen. Nicht viele moderne ADCs akzeptieren ein +/-10-V-Signal direkt. Um das festzustellen, müsstest du weiter in den Schaltplan schauen. Typischerweise haben Sie möglicherweise unterschiedliche Bereichseinstellungen, die die Verstärkung des Verstärkers ändern würden, und unabhängig vom ausgewählten Bereich würde der ADC einen festen Eingang wie +/- 2,5 V oder +/- 5 V sehen. Wenn Sie also +/-10 V auswählen, hat der Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA) eine Verstärkung von weniger als 1.

F1: Ein Instrumentenverstärker hat an beiden Eingängen eine sehr hohe Eingangsimpedanz (und normalerweise einen niedrigen Vorspannungsstrom). Dies ermöglicht einen differentiellen oder Single-Ended-Eingang, wobei ersterer beide Eingänge High-Z hat. Es ist besonders wichtig, hochohmige Eingänge zu haben, wenn sie gemultiplext werden sollen, da sonst der Widerstand des Mux-Schalters die Messwerte beeinflussen könnte, aber es ist immer eine gute Sache, da er die Eingangssignale nicht belastet. Der differenzielle Eingang ermöglicht die Unterdrückung von Gleichtaktrauschen.

F2: Die Nichtlinearität der in einer solchen Anwendung verwendeten Differentialpaare ist minimal. Die Open-Loop-Verstärkung eines Präzisions-Operationsverstärkers ist so hoch, dass die Änderung der Eingangsspannung des Differentialpaars (jedenfalls bei DC) nur Mikrovolt für einen vollen Ausgangshub beträgt. Sie sind über diesen Bereich sehr linear. Selbst wenn dies nicht der Fall wäre, ist der Effekt ein Prozentsatz von Mikrovolt und Ihre Signale sind viel höher, da die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis einen kleinen Bruchteil der Verstärkung im offenen Regelkreis (bei DC) ausmacht.

Ich erwähne "bei DC" ein paar Mal, weil die Dinge bei hohen Frequenzen erheblich schlechter sein können, wo die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers geringer ist und nichtlineare Effekte wie die Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit ins Spiel kommen können.

Es gibt keine allgemeingültige Antwort. Betrachten Sie die Anforderungen für jeden Eingang einzeln.

1. Wenn der ADC -10 bis 10 V akzeptiert und Sie einen Bereich von 0 bis 2 V verwenden, verwenden Sie nur 10 % des Eingangsbereichs des ADC - und werfen effektiv 3 Bit Auflösung und Genauigkeit weg. Wenn das Ihren Anforderungen entspricht, benötigen Sie keine Verstärkung. Ist dies nicht der Fall, können Sie das Signal verstärken, um den Eingangsbereich besser zu nutzen und die durch den DAQ-Prozess verursachten Fehler zu reduzieren.

2. Die Nichtlinearität ist eine Funktion der Eingangsanstiegsgeschwindigkeit und der Bandbreite des Verstärkers. Verstärker sind einfacher herzustellen als ADCs, daher ist es wahrscheinlich, dass der ADC selbst größere Anstiegsgeschwindigkeits- oder Einschwingzeitprobleme einführt als der Verstärker – und dass die Abtastrate hoch genug ist, um das Signal darzustellen. Ein Teil Ihrer Aufgabe besteht darin, sowohl einen ADC als auch einen Verstärker auszuwählen, die schnell genug sind, um die Eingangsanforderungen zu erfüllen: ODER das Eingangssignal zu konditionieren (Reduzierung seiner Bandbreite und Anstiegsgeschwindigkeit), um Probleme mit dem Verstärker zu vermeiden und, was noch wichtiger ist, Ihr Abtastsystem sicherzustellen erfüllt das Nyquist-Kriterium.

Dies ist im obigen Schema im Allgemeinen kein Problem, weil:

• Wenn Sie Hochgeschwindigkeitssignale verarbeiten, werden Sie im Allgemeinen keine Eingänge in einen einzelnen ADC multiplexen.
• Sie steuern die Multiplexrate: Stellen Sie einfach sicher, dass sie nicht zu schnell ist, damit der Verstärker (falls verwendet) und die ADC-Eingänge für die angegebene Abtastzeit stabil sind.

Angenommen, Ihr DAQ-Board verwendet einen Delta-Signal-ADC mit Cin von 10 pF, der mit 10 Millionen Abtastungen pro Sekunde abtastet; Einige 24-Bit-Systeme sind so.

Der (durchschnittliche) Eingangsstrom ist Fsample * Csample * Vsample = 10 Millionen * 10 pF * 10 Volt = 10 * 10 * 10 Mikroampere = 1 Milliampere.