Instrumentenverstärker
Offsetprobleme bei Messbrücken gelöst
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Zahlenbeispiel
Man stelle sich einen Brückenverstärker mit unipolarer Versorgung vor, zum Beispiel den in Bild 4 gezeigten. Hier wird die Spannung von 3,3 V zum Anregen von Brücke und zur Versorgung des Verstärkers verwendet. Der Full-Scale-Brückenausgang beträgt ±15 mV, der Offset ±25 mV. Um die gewünschte Empfindlichkeit zu erreichen, muss die Verstärkung des Verstärkers 100 betragen. Der Eingangsbereich des A/D-Wandlers reicht von 0 V bis 3,3 V. Da der Ausgang der Brücke positiv oder negativ sein kann, wird der Ausgang auf die mittlere Versorgungsspannung oder 1,65 V bezogen. Lediglich durch eine Verstärkung von 100 würde der Offset alleine den Verstärkerausgang auf Werte zwischen -0,85 V bis +4,15 V bringen.
Dieses Problem lässt sich mit der Schaltung in Bild 5 lösen. Beim Brückenverstärker A1 handelt es sich um einen ICF-Instrumentenverstärker, zum Beispiel den AD8237. Verstärker A2 mit R4 und R5 stellt den Null-Pegel-Ausgang von A1 auf halbe Versorgungsspannung ein. Der 8-Bit-D/A-Wandler »AD5601« stellt den Ausgang ein, um den Brückenoffset über RA auf null zu bringen. Der Ausgang des Verstärkers wird anschließend mit dem 12-Bit-A/D-Wandler »AD7091« digitalisiert.
Aus Tabelle 1 entnehmen wir, dass R1 und R2 für eine Verstärkung G von 101 Werte von 1 kΩ und 100 kΩ haben müssen. Die Schaltung enthält einen D/A-Wandler mit einem Spannungshub von 0 V bis 3,3 V, oder ±1,65 V um die Referenzspannung von 1,65 V. Die Berechnung des Wertes für RA erfolgt mit Gleichung (6). Darin sind VA(MAX) = 1,65 V und VIN(MAX) = 0,025V und RA = 65,347 kΩ. Mit 1% Widerstandstoleranz beträgt der nächstliegende Wert 64,9 kΩ. Dies lässt keinen Spielraum für Fehler, die durch die Quelle und durch Temperaturänderungen verursacht werden. Somit wählt man einen preiswerten, gut verfügbaren Widerstand mit 49,9 kΩ. Der Nachteil dabei ist eine reduzierte Auflösung beim Abgleich. Dies bewirkt einen geringfügig größeren Offset nach der Einstellung. Aus Gleichung (7) ergibt sich ein Verstärkungsnennwert von 103. Falls eine Verstärkung näher am Ziel von 100 gewünscht wird, ist es am einfachsten, den Wert für R2 um etwa 3% auf 97,6 kΩ zu reduzieren. Dies beeinträchtigt den Wert von RA nur sehr wenig. Unter den neuen Bedingungen beträgt die Nennverstärkung 100,6.
Da der D/A-Wandler einen Spannungshub von ±1,65 V ermöglicht, ergibt sich der gesamte Offset-Einstellungsbereich VA_RANGE durch den aus RA und der Parallelschaltung von R1 und R2 gebildeten Spannungsteiler (Gleichung (10)).
(10)
Eine Anpassung von ±32,1 mV über den maximalen Brückenoffset von ±25 mV bietet eine zusätzliche Einstellreserve von 28%. Mit einem 8-Bit-D/A-Wandler lässt sich die Stufengröße für die Anpassung VA_STEP nach Gleichung (11) errechnen.
(11)
Bei einer Anpassungsauflösung von 250 μV beträgt der maximale Offset am Ausgang 12,5 mV. Die Werte für R3 und C1 kann man aus den im Datenblatt für den A/D-Wandler vorgeschlagenen Daten entnehmen; für einen AD7091 mit 1 MSample/s betragen diese Werte 51 Ω und 4,7 nF. Kombinationen mit größeren Widerstands- und Kondensatorwerten können bei niedrigeren Abtastraten verwendet werden, um Rauschen und Aliasing-Effekte zu reduzieren.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Schaltung ist, dass die Brücken-Offseteinstellung in der Produktion oder bei der Installation des Systems erfolgen kann. Falls sich Umgebungsbedingungen, Sensor-Hysterese oder Langzeitdrift auf den Wert des Offsets auswirken, kann man die Schaltung neu anpassen.
Wegen seines echten Rail-to-Rail-Eingangs arbeitet der AD8237 am besten in Brückenanwendungen mit sehr niedrigen Versorgungsspannungen. Für traditionelle Industrieanwendungen, die höhere Versorgungsspannungen verlangen, ist der AD8420 eine gute Alternative. Dieser Instrumentenverstärker arbeitet an Versorgungsspannungen von 2,7 V bis 36 V und nimmt 60% weniger Strom auf. Tabelle 2 vergleicht die beiden Bauteile.
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| Parameter | AD8237 | AD8420 |
|---|---|---|
| Technologie | CMOS (Zero-drift) | Bipolar |
| Ruhestromaufnahme | 130 µA | 80 µA |
| Versorgungsspannungsbereich | 1,8 V bis 5,5 V | 2,7 V bis 36 V |
| Eingangsspannungsbereich | -Vs-0,3 V bis +Vs+0,3 V | +Vs-0,15 V bis +Vs-2,2 V |
| Differenzielle Eingangsspannungsgrenze | ±(Vs-1,2) V | ±1 V |
| Rail-to-Rail-Ausgang | ja | ja |
| CMRR (G=100, DC bis 60 Hz) | 114 dB | 100 dB |
| Offset-Spannung | 75 µV | 125 µV |
| Offset-Spannungsdrift | 0,3 µV/K | 1 µV/K |
| Spektraldichte des Rauschens | 68 nV/√Hz | 55 nV/√Hz |
| Verstärkungsfehler (G=100) | 0,005% | 0,1% |
| Verstärkungsdrift | 0,5 ppm/K | 10 ppm/K |
| -3-dB-Bandbreite (G=100) | 10 kHz im HBW-Modus | 2.5 kHz |
| Gehäuse | MSOP-8 | MSOP-8 |
Tabelle 2: Instrumentenverstärker AD8237 und AD8420 im Vergleich
- Offsetprobleme bei Messbrücken gelöst
- Indirekte Stromrückkopplung
- Ausgangswiderstand bestimmen
- Zahlenbeispiel
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