¿Cuál es la necesidad de una etapa amplificadora en un hardware de adquisición de datos?

Incluiría un búfer de ganancia unitaria en el lado de entrada del ADC para aumentar la impedancia de entrada, ya que es probable que el ADC tenga una impedancia más baja que un amplificador operacional.

Esto evita que la lectura dependa de la impedancia de la fuente y también permite la coincidencia de impedancia en el sumidero si es necesario (es decir, puede agregar una resistencia de terminación y la impedancia de entrada resultante estará cerca del valor de la resistencia).

Esto es especialmente importante para las señales de frecuencia más alta, donde la impedancia de entrada del ADC dependería de la frecuencia, mientras que una resistencia de terminación tendrá poca capacitancia e inductancia, dando una respuesta de frecuencia plana.

Opcionalmente, puede configurar un factor de ganancia diferente si tiene sentido en la aplicación.

1) Para aislar el ADC y la fuente de señal. La entrada no inversora del opamp tiene una gran impedancia de entrada, por lo que no carga la fuente de la señal.

2) Hay una retroalimentación negativa para cada opamp de etapa de entrada. Este actúa como un controlador proporcional, la salida del opamp se compara con la señal de entrada y la salida se corrige si difieren con respecto a su amplificación o atenuación.

1) Incluso si la etapa IA no amplifica, proporciona otras funciones:

• amortiguar la señal de entrada para que cualquier perturbación presente en la entrada del ADC no pueda llegar al multiplexor.

• proporcionar una impedancia de entrada bien definida para el multiplexor y/o los circuitos conectados al multiplexor.

• proporcionar una señal amortiguada para el ADC. El ADC puede requerir una corriente de entrada (pequeña), puede tener una impedancia de entrada infinita. Con el IA en su lugar, siempre que el IA pueda controlar la impedancia de entrada del ADC, no hay problema.

2) El IA consta de amplificadores operacionales con retroalimentación . Dichos circuitos suprimen la no linealidad de los circuitos (en los amplificadores operacionales) al tener un exceso de ganancia de bucle.

Digamos que el amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje de 10000 (10k) a una frecuencia determinada, pero configura la retroalimentación para que el amplificador operacional con retroalimentación tenga una ganancia de 10, entonces el exceso de ganancia de bucle es 10000/10 = 1000, lo que significa un factor 1000 supresión de no linealidades. Entonces, una distorsión del 10 % se reduciría a una distorsión del 0,01 %.

Además, ese par diferencial no tendrá más de unos pocos mV en sus entradas. Por lo tanto, no necesita funcionar con 10 V o 2,5 V, de todos modos no puede manejar eso. Los amplificadores operacionales funcionan linealmente solo cuando tienen una gran ganancia, lo que hace que el voltaje de entrada (del par diferencial) sea bastante pequeño. Por ejemplo: si un amplificador operacional necesita una salida de 2 V y tiene una ganancia de 10000, entonces en la entrada el voltaje es solo 2/10000 = 0,2 mV.

La etapa de entrada del DAQ bien puede atenuar la señal en algo como 2:1 o 4:. No muchos ADC modernos aceptarán una señal de +/- 10 V directamente. Tendría que mirar más a fondo el diagrama del circuito para determinar eso. Por lo general, es posible que tenga diferentes configuraciones de rango que cambiarían la ganancia del amplificador e, independientemente del rango que seleccione, el ADC vería una entrada fija como +/- 2.5V o +/- 5V. Entonces, si selecciona +/- 10 V, el amplificador de ganancia programable (PGA) tendría una ganancia de menos de 1.

P1: Un amplificador de instrumentación tiene una impedancia de entrada muy alta (y normalmente una corriente de polarización baja) en ambas entradas. Eso permite una entrada diferencial o de un solo extremo, y la primera tiene ambas entradas de alta Z. Es particularmente importante tener entradas de alta impedancia si se van a multiplexar, de lo contrario, la resistencia del interruptor mux podría afectar las lecturas, pero siempre es bueno ya que no cargará las señales de entrada. La entrada diferencial permite el rechazo del ruido de modo común.

P2: La no linealidad de los pares diferenciales utilizados en dicha aplicación es mínima. La ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional de precisión es tan alta que el cambio en el voltaje de entrada del par diferencial (en CC de todos modos) es solo microvoltios para una oscilación de salida a escala completa. Son muy lineales en ese rango. Incluso si no lo fueran, el efecto es un porcentaje de microvoltios y sus señales son mucho más altas porque la ganancia de bucle cerrado es una pequeña fracción de la ganancia de bucle abierto (en CC).

Menciono "en CC" un par de veces, porque las cosas pueden ser considerablemente peores a altas frecuencias donde la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional es menor y pueden entrar en juego efectos no lineales como la limitación de la velocidad de giro.

No hay una respuesta universal. Considere los requisitos para cada entrada individualmente.

1. Si el ADC acepta -10 a 10 V y está usando un rango de 0-2 V, entonces está usando solo el 10 % del rango de entrada del ADC, y desperdiciando efectivamente 3 bits de resolución y precisión. Si eso satisface sus necesidades, entonces no necesita amplificación. Si no es así, puede amplificar la señal para hacer un mejor uso del rango de entrada y reducir los errores introducidos por el proceso DAQ.

2. La no linealidad será una función de la velocidad de respuesta de entrada y el ancho de banda del amplificador. Los amplificadores son más fáciles de fabricar que los ADC, por lo que es probable que el propio ADC presente una mayor velocidad de respuesta o problemas de tiempo de estabilización que el amplificador, y que la frecuencia de muestreo sea lo suficientemente alta como para representar la señal. Parte de su tarea es elegir tanto un ADC como un amplificador que sean lo suficientemente rápidos para cumplir con los requisitos de entrada: O acondicionar la señal de entrada (reduciendo su ancho de banda y velocidad de respuesta) para evitar problemas con el amplificador y, lo que es más importante, asegurar su sistema de muestreo. cumple el criterio de Nyquist.

Esto generalmente no es un problema en el esquema anterior, porque:

• Si está manejando señales de alta velocidad, generalmente no estará multiplexando entradas en un solo ADC.
• Usted controla la tasa de multiplexación: simplemente asegúrese de que no sea demasiado rápida para permitir que el amplificador (si se usa) y las entradas del ADC sean estables durante el tiempo de muestreo especificado.

Suponga que su placa DAQ usa un ADC de señal delta con Cin de 10pF, muestreando a 10 millones de muestras por segundo; algunos sistemas de 24 bits son así.

La corriente de entrada (promedio) es Fmuestra * Cmuestra * Vmuestra = 10 millones * 10pF * 10 voltios = 10*10*10 microamperios = 1 miliamperio.