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[参考译文] INA819：将 INA819 与 ADS1115 配对使用以读取负载电芯

admin
Guru**** 2629015 points

Other Parts Discussed in Thread: INA592, INA819, ADS1115, TLV9052, OPA191

请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1582623/ina819-using-ina819-paired-with-ads1115-to-read-load-cells

器件型号： INA819
主题中讨论的其他器件： ADS1115、 TLV9052、INA592、 OPA191

我需要读取由+12V 直流激励的多个负载单元、并使用 BeagleBone Black Rev C（最好是使用 I2C）读取输出。  Beagle 的 I2C 总线在 3.3V DC 电压下运行。   
另一名 TI 工程师推荐了仪表放大器、我选择了 INA819、因为它的 CMRR、低漂移和低最大输入失调电压非常适合该应用。  称重传感器输出为 3.000 mV/V、其满负载力范围为 0-500 lbf。

我设计了一个利用 INA819 的电路、并将输出连接到 ADS1115、我可以使用 I2C 进行读取。  我们在另一个系统上以单端模式使用 ADS1115、因此使用它是有利的、因为我们熟悉它。  我尚未确定增益以及是将其应用于 INA819 还是 ADS1115。   我的电路如下所示。   由于这些是原型、我们使用 SOIC 封装、这样我们就可以更可靠地手动组装它们。  电容器是 0.1uF 陶瓷电容器。   我有这些问题。

1) 总的来说、此电路是否工作？  如果是、我应该做些什么改进？

2) 是否缺少任何无源器件？

3) 对于增益为 1 的情况、INA819 的引脚 2 和 3 是否悬空、或者需要连接在一起？

4) 将 INA819 的 REF 引脚连接到 GND 是否正确？

5) 应用增益的最佳阶段是什么（如果有）？

 

GS-GSFS-PCB 1-119-A 10-31-25.png

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    TI__Guru**** 2629015 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    您好 Walter、

    感谢您在 E2E 上发帖！ 是的、仪表放大器在该应用中可能表现出色！ 此电路几乎可以正常工作！ 在低输入电压差的情况下、您将遇到问题。 在这种情况下、理想输出将为 ((IN+)-(IN-))* G + VREF = VOUT。 增益为 1 时、这简化为 (IN+)-(IN-)+ VREF = VOUT。 在输入电压差较低的情况下、理想输出将接近 0V。 但是、仪表放大器的输出摆幅不能一直达到 0V。 从数据表中可以看出、V-的输出摆幅限制为 150mV。  

    有几种方法可以解决此问题：

    1. 向-VS 施加较小的负电压电源、以便为放大器提供-VS 电源轨的余量。  
    2. 向 REF 施加较小的正电压、使理想输出处于有效摆幅范围内。

    无论是哪种情况、模拟工程师计算器 (https://www.ti.com/tool/ANALOG-ENGINEER-CALC) 中都提供了有用的可视化结果。 我还在下面提供了一个文档、说明了对仪表放大器最有用和最令人困惑的图的解释、即 Vcm 与 VOUT 图。  

    https://www.ti.com/lit/an/slyt690/slyt690.pdf 

    在下面、我们可以看到、对于您设置的高于此值的条件、获得线性输出响应所需的最小输入电压差为 150mV。 这显示在右下象限中、放大器标有“Min"</s>“

    添加 200mV 的较小基准电压后、可得到实现线性响应的最小输入差值为–50mV。

    此解决方案现在意味着您需要进行一次性校准、以将“零“值设置为 200mV、而高于此值的任何值都是由于对电池施加了负载所致。

    增加一个较小的负电源电压可以实现相同的目标、但不需要消除增加的基准电压值。 我任意选择–500mV 作为 V-值、但任何大于–150mV 的值都将足够。  

    对于增益为 1 的情况、引脚 2/3 应悬空、不应短接。  

    连接到 REF 的电位必须使内部放大器保持在有效的共模范围内、但最重要的是、它需要是低阻抗值。 GND 具有低阻抗、但如果您从上面采用方法 1、则需要使用低阻抗源提供该基准电压。 这方面的一个简单示例是缓冲电阻分压器。

    根据经验、最好尽早应用增益、在具有多个增益级的情况下、最好投资于性能更高的前端放大器。 这是因为对于两级系统、总输出误差将是放大器 1 乘以两个增益级的误差、加上刚刚乘以第二级增益的放大器 2 的误差。 因此、仪表放大器通常具有更高性能增益级和更适度性能差分放大器级。 例如、仅查看失调电压、输入级在室温下的最大失调电压为 35uV、输出级在室温下的最大失调电压为 300uV。 这是因为当应用增益后、您的输入级误差将在增益达到 10-20 或更高后开始占主导地位。  

    现在我已经完成了输入、这是很多信息、因此如果有任何不清楚的地方、或者您希望进一步解释提出的任何要点、请告诉我！

    此致、
    Gerasimos

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    哇！ 哇！ 哇！  你超出了我的预期！

    我相信对于我们来说、您最好向 REF 添加 200mV 电压。  我们可以在软件中轻松解释它。  我假设 REF 电流非常低、因此我可以在+12VDC 和 GND 之间使用一些相对较高的精密电阻器作为分压器来获得 200mV 的基准电压。  或者、我可以使用中 BeagleBone 的 3.3VDC 为该分压器电路供电、因为我们在整个电路中使用公共 GND。  其中一个会起作用吗？一个会比另一个更好吗？  我不希望 INA819 关心分压器的顶部、而只是相对于公共 GND 流入 REF 的值、但在这些芯片上没有经验。

    我要计划 INA819 中的增益。

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    Walter、

    你可以从两条轨道上分开,我会选择两条轨道上的清洁剂:)。 请记住在分压器和 INA819 的 REF 引脚之间放置一个缓冲器。 您不需要为每个基准提供单独的缓冲器、这两个基准都需要单独的缓冲器。 REF 节点上的阻抗会 CMRR 在 GE 的差分放大器级中引入 INA819/INA819。 正确的是、INA 不关心分压器顶部的位置、提供基准电压的阻抗也很重要。

    有一个视频系列介绍了仪表放大器的基础知识以及控制这些器件功能的基本推导！ 您可以在此处找到该系列：  

    https://www.ti.com/video/series/precision-labs/ti-precision-labs-instrumentation-amplifiers.html 

    此致、
    Gerasimos

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    TI__Guru**** 2629015 points
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     感谢 Gerasimos Madalvanos。  请再问几个问题。  

    当您说缓冲器时、我假设您是指缓冲放大器？

    我认为、要获得所需的音量分辨率、我要将 INA819 增益设置为 1、将 ADS1115 增益设置为+/–0.256 范围（8 倍增益）。  我知道这并不是将增益置于第一级、但我认为它能提供我要寻找的音量分辨率。  我还认为、在试验电路板中 、我可以轻松更改此设置、以便只需更改 INA819 的外部电阻并以编程方式更改 ADS1115 的 PGA 即可进行确认。   想法？

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    TI__Guru**** 2629015 points
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     Walter Cromer 

    是的、很抱歉有任何不清晰的地方、我指的是缓冲放大器。 从前面的主题来看、在最大负载下、输入电压差分似乎为 36mV。 如果您在+/–0.256V 范围内使用 ADS1115 并在 REF 引脚上使用小失调电压、则仅 REF 失调电压就会损失 200mV 的动态范围。 我可能会使用其中一种增益较低的 ADC 设置、并增大 INA819 上的增益。 将输入电压增加 100 后、您将获得 200mV-3.8V 的输出范围、并且在测量中应具有足够的保真度。  

    您的错误目标是什么？

    此致、
    Gerasimos

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    好的。  我们在其他工程中使用 TLV9052、因此我可能会将其用于缓冲放大器。   我必须再次通过增益等计算器   我正在尝试测量 25 毫升以内的水。  有四个称重传感器、可能会产生 100ml 的误差。   这是一种农业应用、因此我们可以轻松地维持此错误。   

    此外、该视频系列也会提供很大帮助。  谢谢！

    称重传感器的输出阻抗~340 欧姆。  您认为是否需要像视频中所述的那样将 330k Ω 电阻与 IN+和 IN-串联？

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    Gerasimos Madalvanos — 只是最后一个未回答的问题,我想检查一下。  我是否需要将 33k (~340x100)Ω 电阻器 与 IN+和 IN-串联？  称重传感器输出阻抗`330-340 欧姆、其中一个视频建议阻抗应为传感器输出阻抗的 100 倍。

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    嗨、Walter、

    这指的是要连接到电桥传感器的放大器的输入阻抗、旨在减少因使用较低阻抗路径加载电桥网络而导致的误差。 GΩ INA819、输入阻抗为数百 k Ω、因此这不会造成问题。

    在将桥式传感器与差分放大器连接时、这一点尤为重要。 例如 INA592：

    由于该器件的输入面向电阻器网络而不是晶体管的基极、因此输入阻抗小了许多数量级。

    此致、
    Gerasimos

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    Gerasimos Madalvanos 这是驱动我疯了。  我将采用 SOIC-8 封装的 INA819 放在 SOIC 转 DIP 适配器上。  我检查了每个引脚的导通性、它们都很好。 我还制作了第二个 INA819 器件。   我还获得了 OPA191、这样我就可以制作 INA819 文献中图 9-3 中的精确电路、但我没有开始。

    我将所有内容连接到试验电路板上、并将称重传感器作为+IN 和-IN 的初始输入。  负载单元激励电压为+12VDC、我通过该电源为 INA819 供电。   我使用 BeagleBone Black 提供的 3.3V 直流电源设置一个分压器、并使用 OPA191 通过该分压器将 200mV 电压馈送到单位增益缓冲放大器、然后馈送到 INA819 上的 REF 电压。   

    当对称重传感器施加力时、INA819 的输出保持恒定。  

    因此、更改了 INA819、以确保在组装到 DIP 适配器时没有损坏器件、并获得相同的行为。

    因此、我放弃了所有这些、连接了图 9-3 中的确切电路、并使用函数发生器向+in 和-in 输入 34mv 的直流值。  Rg = 1.092k、因此根据文献、增益为 50。   

    实际上、+in 和-in 的输入并不重要。  输出卡在~292mv。   我将输入提升到 164mv 并具有相同的行为 — 卡在 292mv 左右。   我什么缺失？？？？？？

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    TI__Guru**** 2629015 points
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     Walter Cromer 

    对于称重传感器和参考电路 9-3、输入端的共模电压相对于 INA 的 V-是多少？ 通常、我假设称重传感器的 VCM 为 Vexc/2、但我想仔细检查。

    这听起来可能有点乏味、但是否可以提供以接地为基准的 INA819 每个引脚上的电压测量？

    此致、
    Gerasimos

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    使用 9-3 电路、但使用 30100 和 1910 欧姆分压器（而不是图中的 100K-100k 对）时、以下是测量结果。

    我使用示波器进行了这些测量。  布线上存在一些 60Hz 噪声以及 1MHz 3mV-pp 噪声。  读数可以是+/–1.5mv

    • 设置 A：
    • 使用 36mv 输入从函数发生器连接到+IN 和-IN
      • INA 引脚 5 (-V) 接地
      • INA 引脚 8 (+V) 连接到+5VDC
      • Rg = 1025 欧姆连接到 INA 引脚 2 和 3
      • 从函数发生器输入到+IN 和-IN 的信号为 36mv 直流。 函数发生器+连接到+IN，函数发生器 — 连接到-IN
      • INA 引脚 4 至引脚 5 (-V)=~47.2mv
      • INA 引脚 1 至引脚 5 (-V)=~0mv
      • 引脚 8 至引脚 5 = 5.02V
      • 引脚 7 至引脚 5 = 1.020V  
      • INA REF 至 GND = 298mv（OPA191 的输出）

     

     

    现在、修改 9-3 的电路、以便从+12VDC 为称重传感器和 INA819 供电（因为称重传感器需要至少 10VDC 的激励、而 OPA191 由 BeagleBone Black（我们将使用的最终电源）提供+3.3VDC 电源、  

     

    设置 B：称重传感器上无负载时、

     

    • INA 引脚 5 (-V) 接地
    • INA 引脚 8 (+V) 连接到+12VDC
    • RG = 1025 欧姆连接至 INA 引脚 2 和 3 （1 + 50000/1025=49.7805 增益）
    • 输入到+IN 和-IN 的信号来自称重传感器。  称重传感器激励电压为+12VDC。  +EXC 连接到+12VDC、-EXC 连接到地。  称重传感器上无负载
    • INA 引脚 4 至引脚 5 (-V)= ~6.00V
    • INA 引脚 1 至引脚 5 (-V)= ~5.98V
    • 引脚 8 至引脚 5 = 12.0V
    • 引脚 7 至引脚 5 = 202mV  
    • INA REF 至 GND = 202mv（带有分压器的 OPA191 输出、OPA191 均由 BeagleBone Black 的~3.3V 供电）

     

     

    设置 C：电路无变化。 铭牌输出为 3.041mv/V 的 0-500lbf 称重传感器具有~28.7lbf 负载时、称重传感器输出应为

    28.7/500*3.041*12=2.0946 MV

     

    • INA 引脚 5 (-V) 接地
    • INA 引脚 8 (+V) 连接到+12VDC
    • RG = 1025 欧姆连接至 INA 引脚 2 和 3（1 + 50000/1025=49.7805 增益）
    • 输入到+IN 和-IN 的信号来自称重传感器。  称重传感器激励电压为+12VDC。  +EXC 连接到+12VDC、-EXC 连接到地。  称重传感器上无负载
    • INA 引脚 4 至引脚 5 (-V)= ~6.0V
    • INA 引脚 1 至引脚 5 (-V)=  ~5.98V
    • 引脚 8 至引脚 5 = 12.0V
    • 引脚 7 至引脚 5 =~80mV  
    • INA REF 至 GND = 202mv（带有分压器的 OPA191 输出、OPA191 均由 BeagleBone Black 的~3.3V 供电）

    至少我正在电池上的负载发生变化、但我还不知道 80mV 是如何正确的。

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    Walter、

    感谢您进行详细的测量！ 感谢您提供快速反馈。 在第 1 种情况中、由于输入共模过低、所以不会获得有效的线性输出。 差分信号必须存在于至少比 V-高 2V 的信号之上。 因此在这种情况下、如果输入之间的电压差为 34mV、当一个输入为 3.017V、另一个输入为 2.983V 时、您将获得有效输入。 这是 3V CM 电压上的 34mV 差分电压。

    设置 B 看起来正确、因为如果 IN+和 IN-之间没有电压差、则输出应为 VREF。  

    对于设置 C、您的输入 CM 似乎有效、您是否能够获得更高分辨率的引脚 4/引 脚 1 电压测量值？ 输出似乎持续到 80mV、因为 IN+低于 IN-。 OUT+和 OUT-是否可能与称重传感器相反？

    此致、
    Gerasimos

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    Gerasimos Madalvanos 所以,基本上,使用函数发生器来模拟输入只是为了故障排除,所以我可以停止担心这一点。  

    由于这个称重传感器实际上始终会有负载（Emptpy 储罐重量）、因此我们不应该在输出等于 VREF 的情况下出现问题。

    我仔细检查了连接并提供了 INA819 和称重传感器的文档（指向 VPG 传感器文档的链接）、我相信它们是正确的。   负载单元+输出（绿线） -> INA819 引脚 4 和负载单元 — 输出（白线）-> INA819 引脚 1。  

    非常奇怪。  现在我无法轻松地为称重传感器施加更多负载。  油箱仍在设计中。

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    沃尔特·克罗默 

    通过查看数据表、我可以看到称重传感器的张力和压缩情况各不相同、但数据表未指定张力或压缩在 (Output+)-(Output-) 上产生正电压差时的方向性。 我也看不到一个规范详细说明了在施加负载时称重传感器中的元件变化、以便能够计算在张力或压缩下哪个输出会更高。 此外、我想我是否曾经问过您的称重传感器是否用于张力或压缩。 我认为魔鬼在这里的标志会议...

    我会尝试交换输入、看看是否获得线性输出。 另一种确认方法是在称重传感器上连接较小负载、然后查看输出是否略低于 200mV

    此致、
    Gerasimos

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    嗯,好了,我交换了称重传感器的连接和+in 和-in ,并在称重传感器上放置了 59.4lbf 压缩负载,方向和之前一样,和 viola ！ 引脚 7 处的输出为 436mv。   

    59.40/500.00*3.041*12.00=4.34mv

    增益为 49.78

    4.34*49.78+202.00 = 418.05 mv 与测得~436mv

     我卸下了其中一个电池、以将负载降低到 59.40/2=29.70 lbf

    29.70/500.00*3.041*12.00=2.17 毫伏

    2.17*49.78+202.00=310.02mv

    使用示波器时、在引脚 7 上测得的输出为~312mv。   

    因此、我似乎需要与称重传感器人员讨论他们的文档！

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    TI__Guru**** 2629015 points
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    啊！ 很高兴我们取得了一些进展！ 如果您有任何其他问题或在路上遇到任何其他颠簸、请告诉我！

    此致、
    Gerasimos