[参考译文] INA125：平衡 OR 和#39；零线和#39；应变仪惠斯通电桥输入或通过 INA125或类似器件输入的推荐方法是什么？

罗德里戈、您好！

~100uN 约为100mg 的重量或力。 它就像一个微平衡刻度。 不管怎样、您能否尝试使用 我们的 INA821、 INA828、 INA819 或 INA818 仪表放大器(IA)、它们更适合处理这种级别的灵敏度。  

附带的是有关 IA 选择的链接。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers/f/14/t/818894

是否有办法修改 INA 电路以实现一些输入偏移、以便它补偿负载单元的偏移？  

假设这是微平衡应用、输入偏移补偿按钮相当于 体重秤上的皮重按钮。 或者、您可以使用软件移除输出端的失调电压。  

我不想为这一级别的敏感测量添加 Trimpot。 如果您为我们提供了惠斯通电桥参数和增益、我们可以仿真 IA 电路。  

如果您有其他问题、请告知我们。  

最棒的

Raymond

您好、Raymond、  

感谢您的快速且富有洞察力的回应。 我已经查看了您提到的有关 INAS 的参考资料、并学到了很多有助于我降低设计噪声的知识。 您建议的其他放大器看起来也非常有趣。 但是、我很喜欢 INA 125具有内置基准。 您是否仍然建议切换到其他 INAS？

100µN 说明、Δ I 为~10mg、因此我们需要额外的10X 才能实现。

我的设计的更广泛背景是制作一个称重传感器、以在多个周期内测试某些微纤维的机械性能。 因此、我需要相当大的稳定性。  

失调电压的主要问题是、在默认状态下、由于某种原因、我的称重传感器输出的 Vd 为~11.0mV、共模为~2.5V。 因此、从开始、它是不平衡的。 在我施加0.7g 负载(我知道这超出了目标刻度、但现在更易于使用)后、Vd 变为~10.9mV。  我估计称重传感器的灵敏度为 0.014mV/mn  
理想情况下、我要将 INA 增益设置为~1800、以便在 ADC 中进行100µN μ s 变化时获得2.5V 输出摆幅。 但是、由于初始 Vd 在增益为1800时已经为11.0mV、因此这将变为~19V、从而使 INA 的输出饱和(使用15V 驱动)。  我无法使用软件对其进行皮重或零

我正在努力构建另一个负载单元、希望能够实现适当平衡、但无论如何、考虑到高增益要求和潜在的初始不平衡、如果我们必须添加 trimpots、这是一个好地方吗？  

我非常感谢 IA 的模拟！  我目前使用的是全桥惠顿、其中每个应变仪的默认值都为120Ω Ω。 以下是静态和负载情况下、我对4个电阻器的值进行了背算(使用求解器)、以及我在基极和负载之间的每个电阻器中看到的变化。 如果您需要任何其他信息、请告诉我。

基座：120.487 120.088 120.888 120.088  
测试：120.335 120.335 120.735 120.335  
更改：0.9987 1.0020 0.9987 1.0020

我 Ω 切换到初始电阻为1000 Ω 的其他应变仪、目的是降低120 Ω 称重传感器的电流和发热效应。  您对这会如何影响系统稳定性有什么见解吗？  

我在9月份开始了这个项目、认为这是一个快速且脏污的 PCB、现在我已经仔细检查了许多意想不到的复杂层。
我非常感谢您的投入和支持、帮助我们最终得出结论。  

罗德里戈、您好！

问：我不能用软件对其进行皮重或零。

由于您使用的是15V 单电源轨、因此您需要将 INA125的 Vref 引脚、即引脚5中的 IAREF 提升至大约7.5V 的中间电源轨。 您的信号可能非常小、可能为5V、这是足够的、请参阅随附的图。 由于输入共模与输出电压之间的关系、这将使线性输出与输入之间的关系得到改善。  

如果您使用双电源轨、则可以将 IAREF 或引脚5配置为接地。 如果您愿意、我建议您使用+/-5V 左右的电压来运行 INA125 (您可能需要不同类型的传感器)。 INA125中的 IAREF 电压必须稳定 、低阻抗电压基准、请参阅 INA125数据表第10页上的应用信息。  

INA125非常好、因为所有必要的构建块都集成在高性能 IC 中。 标称偏置电流为10nA (INA125P、U 封装中的最大值为25nA)。 如果您有一个能够 提供感应电压和电流的传感器、我会使用它。 如果您需要更高的输入灵敏度、更低的噪声、更低的失调电压和温度漂移、您可以选择其他选项。  

 问：可能初始不平衡、如果我们必须添加 trimpots、这是一个好地方吗？   

如果我正确理解了您的要求、您希望消除0.00mg 的惠斯通电桥中的初始误差。 您可以在输入桥式传感器上执行此任务。 您可以校准 INA125输出端的失调电压或不平衡输入误差(0.00mg 至10.00mg 之间的两点校准)。

封闭是一个 Tina INA125伪仿真示例、可帮助您更好地了解 IC 的性能。 我没有您的传感器和增益参数、因此您需要重新配置这些设置。 如果您需要帮助、请告诉我。  

/cfs-file/__key/communityserver-discussions-components-files/14/INA125-Bridge_5F00_Amp-Strain-Gauge-02032021.TSC

Q：我 Ω Ω 切换到初始电阻为1000 Ω 的其他应变仪、目的是降低120负载单元的电流和发热效应。  您对这会如何影响系统稳定性有什么见解吗？  

我认为您可能需要使用电阻更高的惠斯通电桥传感器、因为电压基准能够提供大约5mA 的电流。 如您所示、它可能会在一定程度上降低传感器的自发热。 如果使用120Ohm 称重传感器、则电压基准可能没有足够的电流来驱动它。  

您是否在谈论传感器或 INA125的热稳定性？ INA125的热稳定性相当好、最大2uV/C 此外、该仪器可能在室内环境温度下工作、因此不应成为问题。 只要 INA125不驱动其输出端的容性负载、电子稳定性就不应成为问题。  

当您选择一个重量桥传感器时、您需要选择一个满量程范围接近10.00mg 范围的传感器。 这样、您就可以在动态范围内获得足够的感应分辨率与力。  

如果您有其他问题、请告知我们。  

我忘了说 、我们有 LM7705 低噪声负偏置发生器(开关电容器电压逆变器)。 如果您在稳压器的输入端输入3-5.5Vdc、它将生成-0.232V 稳压器输出电压。 如果 INA125在其 V-轨上负偏置、则可以解决空载条件下的初始偏移问题、并保持 IAREF = 0V 或接地。 请通过仿真进行查看。   

最棒的

Raymond

罗德里戈、您好！

下面是用于仪表放大器的 INA 共模输入范围计算器。 IA 计算器在 器件选择和设计方面可能非常有用。  

https://www.ti.com/tool/INA-CMV-CALC

最棒的

Raymond

通常、补偿此类偏移是在电桥上完成的、方法是在电桥同一侧的两个相邻臂之一上添加一个固定分流电阻器。 理想情况下、选择电阻器类型以匹配电桥的温度系数、或者您可以使用两个比率电阻器来确保其温度系数产生零结果误差。

在小规模生产中、您应该使用万用表与 PC 进行某种连接、并编写一个小 Python 脚本、该脚本测量电压、并使用该脚本计算电阻器选择以及连接点(半桥的上臂与下臂)。 这也可以通过许多电压表可用的各种 Excel 插件来完成、然后可以在 Excel 电子表格中完成计算和电阻器选择。 确保保护相关单元格、以免意外输入损坏电子表格。

还有许多其他选项可用。 INA125有一个内置的激励电压基准、我想这是一个90年代设计的器件？ 这种电压基准有一个原因-它主要仅在非常具体的应用中有用。 也就是说、如果您需要产品提供具有长期恒定增益的模拟信号输出、并且系统中没有 MCU、 我想、这是该器件专为特定应用而设计的(当然、我只想)、而"典型"用例是针对内置传感器信号调节器、而在传感器内部集成 MCU 时、由于成本和尺寸限制、通常不会实现。

如果系统中有 MCU、则更便宜的做法是将输入数字化、校准并在 MCU 中进行其他处理、然后将其作为校准的模拟电压输出(使用独立 DAC、在基准电压和接地之间进行 PWM 输出切换等)。 但是、一旦您负责对信号进行数字化、就不再需要精密基准电压、因为您可以执行比例式测量： ADC 的基准电压根据任何低噪声稳压器提供的激励电压进行调节、对绝对激励电压精度没有特殊要求(几个百分点将仅用于保持足够的传导增益)。 这样、ADC 输出的任意单位将与电桥臂电阻的给定变化相对应、与激励电压无关-只有噪声会随着激励电压的下降而增加(最终您的运行电压将低于最小 ADC 基准电压)。

其他可能的选项可能如下所示、这只是其中的一个很小的采样、当然、并非所有选项在每个应用中都有意义：

• 将传感器直接连接到高分辨率 ADC、无需预放大、并在软件中执行测试、或使用 ADC 的内置偏移校准功能。 您可能会发现、与 INA125相同的焊球中的 ADC 成本(可能会更低)、因为您可能需要使用其他精密器件。
• 通过内置直接低电压传感器接口将传感器直接连接到 MCU (例如、具有可选固有转换增益的 ADC、类似于 PGA 但不具有实际 PGA)。
• 使用具有数字可编程失调电压的仪表放大器。
• 将增益拆分为两个：第一级增益、然后将来自数字电位器或 DAC 甚至 PWM 输出的电流添加到：
  • 第二增益级的求和节点、或
  • 第一级仪表放大器的 REF 输入、但确保保持在仪表放大器的输入-输出电压多边形范围内。 提高第二级增益在这里很有帮助、通常以牺牲第一级的有效偏移和噪声为代价。 此外、三放大器中的 REF 输入需要具有低源阻抗以保持 CMRR、除非另有说明、或者除非您使用具有真正差分输出和适当输出 CM 范围的放大器。
• 通过串联电阻将数字电位器连接到电桥的一个输出。 这确实会降低交流 CMRR、因为差分输入的每一侧都连接了不同的杂散电容、因此有时有助于选择布局允许完全对称应用的双电位器、 将(+)信号布线和组件布局为(-)信号布线和组件的几何镜像。 数字电位器可通过"位拆裂"生产夹具进行编程、该夹具使用 FTDI USB 转并行接口或通过 PC 上的串行终端运行的独立 Arduino、因此无需板载 MCU。 一些较旧的数字电位器甚至具有向上/向下/存储"按钮"输入、因此可以使用非常简单的无源适配器来设置偏移。

换言之：很大程度上取决于应用程序以及您开发上述解决方案的可用时间。 我最喜欢的"如何实现零桥输出"的答案始终是-如果可以避免、甚至不要这么做。 "经典"电桥-仪表-滤波器-缓冲器- ADC 信号链并不是每个应用的最佳选择。 它几乎总是能够很好地发挥作用、但有时可能会花费高昂的成本和不灵活的。 当然、这是探索设计空间的良好起点。

您好、Kuba、

我最喜欢的"如何实现零桥输出"的答案始终是-如果可以避免、甚至不要这么做。

这就是我在前一份答复中所提出的建议。 但是、如果您想在电桥侧执行此操作、可以连接下面的一个或两个十进制数字电流箱、并手动平衡感应电桥、请参阅下面的链接。 请确保电阻箱的额定值符合电流应用要求(不要使电阻箱过热)。 我过去在实验室中使用过类似的盒子、它运行良好。  

如您所示、在直流电中找到平衡电桥后、您可以使用匹配的 Tempco 电阻器替换平衡的 R 值。 如果需要应用、您可能会得到一个分辨率为微欧的电阻器箱。 惠斯通电桥的电阻范围应在1k Ω 左右、因此0.1Ohm 至1Ohm/步分辨率可能绰有余。  

或者、您可以测量惠斯通桥接器输出端的电压、并计算和插入匹配的电阻器值、然后在空载条件下将电桥的输出清零。    

https://www.mouser.com/datasheet/2/194/RS-CS-LS-571.pdf

如果您有其他问题、请告知我们。  

最棒的

Raymond

您好、Kuba、

感谢您详细记录 Rodrigo 的查询。  

罗德里戈、您好！

您能否提醒一下、您希望在下一个设计中实现哪种"归零"的惠斯通方法？ Kuba 提出了几个建议、我们也提供多种现代仪表放大器(IAS)。 我想知道的信息。  

答：您是否要使用 MCU 校准 IA 的失调电压？ 在输出电压中执行两点校准、而在传感器上施加力。  

b.您想保留 INA125还是使用其他现代 IA 部件？

c.应用是15Vdc 的单电源轨吗？

D.您将使用什么是激励基准电压？ 它是5Vref_励 磁吗？

e. IA 应用输出端的 Vref 电压是多少？

f. IA 的增益配置是什么？ 仍然增益=1800。  

总之、如果您能够为我们提供上述传感器和 IA 配置参数、我可以在 Tina 中将仿真放在一起。 请告诉我们。

最棒的

Raymond

谢谢 Raymond！

该项目已根据我们的理解发展、我们的要求也随之发展。  我们希望遵循您的建议，如果可能，不要将桥归零。 相反、请尝试使用 INA 的 IAREF 和更宽的双电源(+-15V 或更高)来补偿任何初始不平衡。 此外、现在我们意识到在噪声、温度和时间范围内需要一个稳定的放大器。  

在不久的将来、我们放宽了测量0至0.2g 范围内力的要求、理想分辨率为0.001g。 在未来两年内、范围(和分辨率)预计会降至0.05g。 此称重传感器将是应变应力机械测试仪的一部分、该测试仪将在 数小时内循环(拉伸和松弛)光纤样本数百次、因此我们需要使力测量稳定~10小时。 在此期间、我们看到建筑温度变化约为2C、因此可能需要向放大器添加有效的温度控制。 每个周期预计需要几秒钟、因此力传感器带宽可能非常低(<10Hz)。

我们正在探索定制和现成的负载单元。  所有这些器件都配备了全桥。 有多种选择、但我们使用1000Ω Ω(Vs 350Ω Ω)输入/输出电阻收敛到传感器、以便它们消耗更少的功率、从而减少称重传感器上的自发热、 我们希望以2.5V (1kΩ Ω 时为350Ω Ω、Ω 时为5V)激励它们、但如果有益处、电压可能会更高。 称重传感器应将电压范围 为0至 ~0.050mV 的输出信号返回到 INA 中；可能存在一些基本偏移、具体取决于传感器、我们会尝试使用 IAREF 进行补偿、以避免 INA 饱和。 如果需要、MCU 可以执行最终校准和一些温度补偿。 如果失调电压太大、我们会向电桥添加电阻器、以便按照您的建议对其进行平衡。  

我们可以打开任何 INA、二级放大器(如果需要)和 ADC。  将 0.050mV 放大到2.5V ADC 的整个范围需要50、000 (93dB)的增益。 对于简单的 PCB、这甚至是现实的吗？ 或者、我们可以使用6000-10000范围内的增益并降低分辨率。  ADC 分辨率和增益之间的适当权衡是什么？  

Kuba 曾提到、只要这些电压都很常见、我们就不需要非常精确的电压基准来驱动电桥、INA (第二级放大器)和 ADC。 您可以将其包含在仿真中吗？

此信息是否提供了足够的信息来绘制解决方案？

非常感谢您的意见！

罗德里戈、您好！

根据您的设计要求、我配置了两个选项供您选择。 Kuba 是正确的、5Vref 不必精确、但它必须具有低噪声、稳定和不随时间推移而漂移的特点、这会导致电压基准选项或类似选项。 对于您的应用、我将为该应用推荐我们的5V 电压基准。

封装是通过 Tina 为两个选项进行的仿真。 总之、如果您有任何问题、请提问。  

e2e.ti.com/.../INA333-Force-Gauge-03132021.TSC

e2e.ti.com/.../INA188-Force-Gauge-03132021.TSC

最棒的

Raymond

罗德里戈、您好！

我会这样做：

或者类似这样：

e2e.ti.com/.../rodrigo_5F00_ina125.TSC

如果在测量过程中温度变化仅为2K、我认为无需任何温度补偿。 但是、如果是这样、我将通过额外的 NTC 在微控制器软件中执行该操作。

只要电桥电压保持在指定的最大电压以下并且电桥已正确粘附到样本上、仅为120R 的新娘电阻就不会导致任何相关的自发热。

如果您在各个增益级之间插入简单的 RC 低通滤波器、那么极高增益不一定会导致任何稳定性问题。

为了最大限度地减少温漂和长期漂移、请在电桥粘接的情况下对样本进行简单的烧写操作。 这有助于完全固化胶水并缓解粘结电桥的机械应力。 在任何情况下都应保持低于电桥(和样本)的指定最高温度。 不要忘记、某些烤箱在控制烤箱温度时可能会出现相当大的温度纹波。 厨房烤箱可以显示50K 的"潮汐范围"！

Kai

只需忘记在 XTR106的数据表中简要介绍了机械失调电压调节。

另外、忘记推荐使用温度系数低(<=100ppm/K)的精密多转金属陶瓷微调电容器。 当精度很高时、我们总是从 Bourns 取一个金属陶瓷微调电容器、即"3296"或类似产品

Kai

谢谢 Raymond！ 这太棒了。  
我一直在查看所有数据表、并根据您的建议实施新的修订。  
我唯一的问题是：  
 在 INA 和第二阶段选择2000 * 20的增益与1000 * 40或4000 * 10相比、有何合理性？ 是否有一个可以将噪声降至最低的最佳点或其他注意事项？  

谢谢 Kai！  
好极了。  
我将包括用于实现此偏移的迹线、如果我无法平衡电桥、则将其保留为最后的解决方案。  

用于自发热。 在5V 时为120Ω μ W、我看到~200mW、除以4个应变仪、因此每个应变仪的功耗为50mW。  使用红外摄像头、我可以在42°C (对比~22°C 环境温度)下看到热点。 我希望改用1000Ω Ω 应变仪(每监测计~6mW)将导致大约24C 且更稳定。  
感谢您提供的关于长时间燃烧的提示！

罗德里戈、您好！

通常、如果您有运算放大器增益电路的多个级、则需要在前端放置更高的增益级。 在这种情况下，您可以执行2000*20或1000*40。 建议 INA333 IA 数据表的增益为1000、但由于您的差分输入信号非常小、因此我认为2000的增益可能是可以接受的。  

GAIN=4000对于应用来说可能太高。 我需要更多数据来支持增益配置。 我将询问我们的测试工程师、他们是否有在 IA 中配置此类设置的任何经验、因为这是您的最大经验 信号仅为0.05mV (0.05mV*4000 = 200mV)。 从技术上讲，这可能是可行的，但通常我们不建议国际投资管理局获得较高的收益。 此外、Rg 值将更小、PCB 上的寄生电阻和电容 可能会产生额外的不必要误差。 此外、运算放大器稳定性可能成为一个因素。  

使用0-10g 力测量时，必须在每次运行之前校准系统。 因此两点校准将使测量范围线性化。 如果您能够校准第三个数据点(例如在5G 的中点、甚至检查中点的第三个参考点)、您将拥有非常精确的系统、 并且能够将系统和/或操作环境中的任何误差随时间的变化降至最低。  

BTW、 LM7705 是具有固定-0.23负电压稳压器的开关电容电压逆变器、输入电源电压范围为3V 至5.5V 直流。  

如果您有其他问题、请告诉我。  

最棒的

Raymond  

罗德里戈、您好！

由于此处的带宽不是问题、我将选择1000 x 40。

但是、总增益的实际限值将由大多数奇数偏移电压的外观给出：您需要足够的余量来防止级进入削波、然后才能调整微控制器中的偏移电压。 因此、我会尝试找出应用中的绝对最坏情况失调电压、然后以无法发生削波的方式选择增益。

使用金属陶瓷微调电容器进行手动偏移校准有助于缓解这种情况。 扮演灭火器角色的金属陶瓷修剪器

Kai