В рамках данной статьи рассматривается вопрос о повышении качества измерений посредством применения буферного усилителя при работе с многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в составе устройства сбора данных.
Входной тракт у многоканального аналогового преобразователя (например, NI-USB 6008) имеет аналоговый коммутатор, который переключается с установленной пользователем частотой дискретизации (скорость переключения между каналами для их опроса).
Каждый транзисторный ключ коммутатора имеет собственную проходную ёмкость порядка 50 пФ. Учитывая выходное сопротивление схемы, которая подключается к одному из входов АЦП (например, нижнее плечо резистивного делителя напряжения или выход какого-либо аналогового датчика) и проходную ёмкость ключа, формируется RC-цепь. Эта цепочка несколько искажает регистрируемый сигнал. Но кроме этого надо учитывать инжектированный заряд порядка 20 пКл при переключении.
Чтобы уменьшить влияние этой RC-цепочки на измерения, её постоянная времени (τ [секунды] = R ‧ C) должна быть намного меньше, чем период опроса каналов преобразователя (соответствует частоте дискретизации f = 1 / T).
При работе с многоканальными АЦП максимальное выходное сопротивление измерительного канала, которое подключается к одному из входов преобразователя, не должно превышать 1 кОм.
Если нижнее плечо делителя превышает 1 кОм, то велика вероятность возникновения межканального прохождения сигнала, что влечёт за собой существенное отклонение измеренных напряжений от действительных. И это отклонение увеличивается с ростом частоты дискретизации.
Для преодоления этой проблемы применяют простое, но эффективное схемотехническое решение — буферный усилитель (БУ) с применением микросхемы операционного усилителя (ОУ).
Самым простым вариантом является схема повторителя:
В данном примере источником аналогового синфазного сигнала является датчик температуры — терморезистор, включенный по схеме делителя. Выходное сопротивление делителя составляет 10 кОм.
Схема включения ОУ (например, OPA177) в режиме повторителя проста: выход напрямую подсоединяется к инвертирующему входу (пин №2 «-INA»). Измеряемое напряжение прикладывается к неинвертирующему входу (пин №3 «+INA») относительно общего провода питания. Такое включение формирует коэффициент усиления равный 1, то есть уровень выходного напряжения полностью соответствует по амплитуде входному воздействию.
Данное решение позволит обеспечить согласование сопротивлений на выходе источника и входном тракте аналогового преобразователя.
В случае необходимости произвести измерение дифференциального сигнала, можно воспользоваться БУ с применением инструментального усилителя (ИУ):
К примеру, есть линия передачи данных по CAN-шине через витую пару. Для фиксации изменений напряжения на шине применяется дифференциальный пробник, входная цепь которого представляет собой два высокоомных делителя (чтобы исключить дополнительную нагрузку).
Дифференциальный сигнал формируется посредством снятия потенциалов с нижних плеч двух делителей относительно общего провода АЦП (аналоговая земля — AGND). Этот же общий провод является землёй питания микросхемы ИУ.
Инструментальный усилитель DA1 (к примеру, модели INA128 или AD620) преобразует дифференциальный сигнал в синфазный, при этом обеспечивает согласование нагрузок. Выводы №1 и №8 «RG — Resistor Gain» предназначены для регулировки коэффициента усиления. Без данного резистора ИУ работает в режиме повторителя (Кусил = 1).
Важно нагрузить выход ИУ, чтобы нормализовался его режим работы (R5 = 1 кОм). Этот резистор допустимо использовать, поскольку его номинал не превышает рекомендованное значение, о котором упоминалось выше.
Микросхемы БУ обязательно должны иметь двухполярное питание, поскольку при однополярном питании на выходе будет смещение в несколько десятков милливольт, которое не устраняется даже подстроечным резистором балансировки.
Также крайне важно установить фильтрующие керамические конденсаторы (100 нФ) к выводам питания микросхем ОУ, причём как можно ближе, поскольку это существенно улучшает качество работы схемы.