[参考译文] INA125：从 ADC 捕获到错误数据

尊敬的 Luca：

小型 INA125电路不易辨认、我们无法提供电路详细信息。 我意识到在网站上看不清、但您能提供一个更能查看的电路图吗？ 我们需要查看详细信息。

请提供有关驱动螺旋桨的电机的信息。 是 PWM 电机还是其他类型的电机？ 电机与传感器电桥的物理距离有多近？ 采取了哪些预防措施来确保 INA125电路不会产生电机及其周围环境的噪声？

当电机关闭时、INA125输出看起来是什么样子的？

您能否提供测量设置的照片？

此致、Thomas
精密放大器应用工程

大家好、Thomas、非常感谢您的回复！

很抱歉、图片不好、但这是 INA125P 电路：

我用它来采集第一幅图像中的信号。 第二幅图像中的信号是通过该电路在没有 C2电容器的情况下采集的、并且在输出中具有 R = 4.7欧姆且 C = 4.7 μ F 的 RC 滤波器。

电机是 BLDC、由 ESC 驱动。 电机位于称重传感器边缘、 距离称重传感器几厘米。 此时、我没有任何关于感应噪声的预防措施。 这是我的设置照片：

当电机关闭时(如上图所示)、我在 INA125P 输出引脚上测量0.21V 电压。

尊敬的 Luca：

感谢您提供有关 INA125应用的所有其他信息。 我已经审查了您的电路设计并对实现有疑问：

• INA125的增益设置为4000V/V；这是一个非常非常高的增益。 不仅电桥的差分电压会被这个增益放大、而且所有由互连线和电路拾取的噪声都会被放大。 您所提供的照片显示了输入电桥电压上噪声的巨大放大。 以这种高增益运行的电路必须封闭在金属外壳中、与电桥的连接必须使用屏蔽电缆。

• INA125仅由您的电路中的单个+3.3V 电源供电。 这极大地限制了可应用于 VIN+和 VIN-引脚的电压范围。 没有单个+3.3V 电源的输入共模电压(VCM)范围的数据表图、但  PG 5上的输入共模电压与输出电压(VS =±5V)图显示了单个+ 5V 电源的 VCM 范围。 该图表明最小 VCM 约为+0.75V、在您的电路 中、VIN+和 VIN-输入端的电压约为+0.625V、因为电桥偏置电压仅为+1.25V (引脚13)。 这假设电桥中的所有4个电阻器的值相等。 您很可能会尝试将 INA125运行在低于其最小 VCM 能力的水平上。

• 极高的4000V/V 增益还可放大 INA125的电压偏移(Vos)。 指定的输入参考 Vos 为+/-75uV 典型值、+/-500uV 最大值、电源为+5V 且室温条件下。 使用+3.3V 电源时、它实际上可能更高。 如果将典型和最大输入 Vos 电平乘以4000V/V、则输出参考电压偏移 Voso 分别为+/-0.3V 和+/2V。 该 Voso 将从电桥操作产生的预期输出电压中加减。 请记住、Vs =+5V 时的 INA125输出在高端限制为(V+)- 1.2V、在低端限制为(V-)+ 0.3V 将这些限值应用于 Vs =+ 3.3V (最多)对于1.7Vpp 的输出电压摆幅范围、高电平输出摆幅限值将大约为+2.1V、低端上大约为+0.3V。 您可以看到、与可用的输出摆幅范围相比、放大的电压偏移 Voso 非常大。

• 一般而言，似乎需要更多地考虑 INA125的应用方式。  我怀疑下降到0V 以下的负噪声尖峰是由电机产生的磁场导致的、并且是通过电路耦合的。 由+3.3V 单电源供电的 INA125不能将其输出驱动至0V 以下

改进电路的一些建议：

• 如果可能、将电源电压提高到更高水平。 这将增加输出摆幅范围、并允许您使用比当前+1.25V 更高的基准电压。提高施加到电桥的基准电压会增加施加到 INA125输入端的 VCM 电压、并使其远离该范围的底部。

• 将所有电路安装在金属外壳内。 确保与电桥的任何连接均使用屏蔽电缆。

• 考虑降低 INA125的增益并跟随它有一个增益级。 该增益级可配置为有源滤波器、以帮助降低高频噪声。

• 如果您可以联系电气工程师、他们可能会帮助您解决此应用中的问题。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

大家好、Thomas、再次感谢您的回复！
在第一次阅读时、我对您所说的内容进行了初始阅读、现在我尝试重新阅读并更好地理解您的答案、并且在我尝试执行您所说的操作之后！
但是、我必须向您介绍有关上述图形的重要信息。 我以前没有说明这一点、这是我的错误、很抱歉。 实际上、上面的图形比较详细、它们以 gramms 而不是伏特表示值。
当我从称重传感器获取信号时、在启动电机之前、我会采集一些样本、并按照平均值操作。 这表示我的转子的皮重(电机+螺旋桨+支撑)。 执行此操作后、我为电机提供一个基准信号、并从称重传感器获取信号。 采集完成后、我将皮重从该值中移除、并将结果转换为 gramms。 负值是由于这个软件操作。 明天我发布一个包含非详尽值的图表、但我认为这些值不是负数。

关于您的回答、我还有另外两个问题：
当您告诉我"确保与电桥的任何连接使用屏蔽电缆"时、您的意思是什么？ 我无法使用压电芯的应变仪、而是将其分解为白色。

我有另一个"版本"的 INA125P 屏蔽、在此版本中、我使用 LM317来提供 INA125的电压。 LM317的输出电压设置为大约7V。 在这种情况下、INA125的最大输出低于5V、但这是 MSP432 ADC 的高电压。 MSP432 ADC 在3.3V 下工作。 我曾尝试创建分压器来降低输出、但我没有成功、因为我无法在数据表中找到 INA125的最大输出电流。 您能否建议输入 INA125的最大输出电流值、以便我实现分压器？

尊敬的 Luca：

关于您的问题：

1) 1)当您告诉我"确保与电桥的任何连接使用屏蔽电缆"时、您的意思是什么？ 我无法使用压电芯的应变仪、而是将其分解为白色。

我担心的是、进入电桥的导线拾取的噪声 会 被极高的 INA125增益放大。 该噪声将调制 桥响应负载而建立的直流电平。   INA125的一些快速输出变化 肯定来自在其转动时对 Propoller 作出反应的电桥、但我预计输入端也会有噪声拾取。 噪声会在 输出中引入误差 、目标几乎始终是仅放大预期的输入信号。

如果 电机的各个导线无法屏蔽、则可以将它们一起放置在屏蔽金属编织层中。 另一种可能是将连接到 IN+和 IN-的两根导线绞合在一起、然后将来自 VREF 的电桥偏置和接地线绞合在一起。 实质上、这些结构会产生两根双绞线、可提供一定程度的共模噪声抗扰度。 它应该比让导线公开暴露在噪声环境中更好。

2) 2)我有另一个 INA125P 屏蔽的"版本"、在此版本中、我使用 LM317 来提供 INA125的电压。 LM317的输出 电压设置为大约7V。 在这种情况 下、INA125的最大输出低于5V、但这是 MSP432 ADC 的高电压。 MSP432 ADC 在3.3V 下工作。 我曾尝试创建分压器来降低输出、但我没有成功、因为我无法在数据表 中找到 INA125的最大输出电流。 您能否建议输入 INA125的最大输出电流值 、以便我实现分压器？

7V Vs 电平比+3.3V 电平更可取、因为它为 VREF 电平提供了更多选项。 INA125无法驱动大量输出电流。 kΩ 数据表的输出规格是使用10k Ω 负载电阻编写的。 kΩ 设置电阻分压器、请确保总电阻约为10k Ω。 请注意、当使用单电源时、INA125输出电压范围不会向下摆动至0V 或向上摆动至 Vs+轨。 如果您希望实现0V 的输出电压、则 INA125必须由+/-5V 等双极性电源供电

请注意、大多数 ADC 都需要 驱动它们的放大器与其输入之间的正确接口。 否则，它们的真正分辨率可能无法实现。 除非 ADC 输入是内部缓冲的、通常需要使用 具有必要电流输出驱动能力的运算放大 器和精心确定的 RC 网络。 这本身 就可以证明是工程任务。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

尊敬的 Thomas：
我意识到这对我来说是一项困难的任务、但我不知道一个是电气工程师的朋友、所以我尝试解决我自己的这个问题。
实际上、在阅读 MSP432数据表后、我开始使用 RC 滤波器。 对于我的 ADC 设置、选择 R=4.7KOhm 和 C=22pF 的 RC 滤波器是正确的、但使用该滤波器、我会获得非常糟糕的信号、因此我在这个论坛中提出了问题。
关于屏蔽电缆、我扭曲了 IN+和 IN-以及 Vref 和接地表、您可以在上图中看到结果、 然而、明天我尝试为这条电缆实施一些屏蔽金属编织层、我也尝试找到一个金属盒来覆盖整个电路。

我对该电路还有另一个问题：
在该电路中使用一些去耦电容器是否合理？ 我还在互联网上看到 INA125的一些电路在 IN+和 IN-上使用输入滤波器、这可能有助于降低引入的噪声？ 在正极情况下、您能为电阻器和电容器提供一些值吗？

尊敬的 Luca：

嗯、令人钦佩的是、当  电子 产品不是您的专业领域时、您在将系统电子产品整合在一起方面取得了巨大进展！

关于您的问题：

在该电路中使用一些去耦电容器是否合理？ 我还在互联网上看到 INA125的一些电路 在 IN+和 IN-上使用输入滤波器、这可能有助于降低引入的噪声？ 在正极情况下、您能为电阻器和电容器提供一些值吗？

通常的做法是在仪表放大器(INA)的输入端包含共模、差模。 与 允许系统的全带宽相比、使用输入滤波器限制系统带宽将导致 IA 输出端的噪声更低。

我们需要知道 必须 支持的频率范围、然后才能 提出任何滤波器组件建议。 如果只需要测量缓慢直流变化的能力、则滤波器截止频率可能非常低。 但是、如果与推进器速度相关的特定频率必须通过放大器、则截止频率必须高得多。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

尊敬的 Thomas：

我感谢您的话语、他们让我非常高兴、非常感谢您！ ；)

但是经过一天的实验、现在我有了一些结果。 我使用了 Vs = 7V 和 Vref = 5V 的版本。 在实践中、如果我使用不同的增益(Rg = 120、100、82欧姆)、我将获得一个非线性且重量较轻的特性。 在采用旧设置的情况下、信号似乎比信号更好。 但我已经花了更多的时间来了解为什么会出现非线性、所以我没有对噪声采取任何预防措施。 明天、我将使用噪声防护装置(即屏蔽电缆、输入滤波器和去耦电容器)进行更多实验。  

我必须提出一个问题。 在您看来、如果我使用伪波状电路来消除非线性和噪声问题、会更好吗？

尊敬的 Thomas：

我已经更改了我的电路、现在它是：

但是结果不变、我从上次采集中获得该信号：

在本例中、该值以伏为单位。 当获取此信号时、我不会执行任何减去皮重的操作。  

对于非线性、经过一些实验后、我意识到、如果我增大 Vs、并且如果我减小 Rg 值、非线性消失、那就是我使用上面的电路：

但是、如果我使用12V 电源电压、则使用相同的电路、我会获得此特性：

如果我增大 Rg 值(82、100、120等) 或者、如果我降低电源电压、非线性度会 更加突出。

在阅读完您的上一篇文章后、我对 INA125的正确运行有一些疑问、也许我已经将其损坏了。 如果我使用17V 电压为 INA125供电、引脚16的输出不是10V、但它是12.76V、VCM 是6.38V。 如果我为电源使用12V 电压、引脚16的输出为9.18V、VCM 为4.59V、则会出现同样的情况。

我测量了 E+和 E-之间的称重传感器电阻约为994欧姆、S+(S-)和 E+(E-)之间的电阻约为746欧姆。

请注意、我对称重传感器电缆使用了保护装置、比如 在损坏的电视 Scart 电缆中找到的铝纸。

尊敬的 Luca：

通过扩展 VCM 范围、增加 VREF 选择选项和增加输出电压摆幅范围、提高 INA125电源电压应该能够发挥您的优势。 这些都应该是好东西。

INA125引脚12至15开路、这将为参考放大器接线以实现+10V 的输出。这是引脚4、VREFOUT 点处出现的电压、该电压将施加到总电桥电阻上。 当电桥平衡时、S+和 S-电平应为该电平的一半、或每个电平为+5V (如果它是一个平衡电桥、所有 Rs 相等)。 如果您不测量这些值、则 INA125可能会出现问题。

我不太确定您测量的电桥电阻。 如果在连接电桥的电路中使用 INA125、则可能会将其他一些电阻与预期的测量结果混合在一起。 尽管如此、VREFOUT 上呈现的电阻看起来可能小于1000欧姆、在这种情况下、该基准运算放大器的电流需求可能过高、无法提供。 有关 PG 的 INA125数据表。 12提到、"通过连接晶体管来提高电压基准的输出驱动能力、如图4所示。 外部晶体管还用于切断 INA125的电源。" 晶体管可能不需要像 TIP29那样具有电流能力、而只是一个可以轻松提供几十毫安电流的器件。

水平刻度在图形中标记。 如果它们表示输出电压、则可能是输出被驱动到较低的输出摆幅范围限制。 增加 INA125增益会导致输出尝试在更大的范围内摆动、并会撞到线性度看起来更差的电源轨。 对增益进行反向保护并使输出远离电源轨应提高输出线性度。

从直流的角度来看、一旦您使 INA125电路正常运行、我就可以为在 INA125输入端添加差分和共模滤波提供一些建议。 目前、您有一个差分模式输入滤波器、该滤波器由 R1、R2和 C2组成、而 INA125输出 R3、C4上有另一个差分模式输入滤波器。 通常、噪声是共模性质的、可能是真正的问题。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

尊敬的 Thomas：

我确认、如果 Vs 为17.04V、引脚4的 VREFOUT 为12、78V、引脚6的电压为6.40V、引脚7的电压为6.40V。 我在将称重传感器连接到 INA125的情况下完成了此测量。 在负载分离的情况下、我在引脚4处测量该16.30V 值。  

我的 INA125是否损坏？

此外、我确认称重传感器的 E+和 E-之间的电阻为994欧姆、在从电路分离的称重传感器的情况下进行测量。 S+和 E+之间的电压以及它们的其他组合为746欧姆。 我可以使用任何类型的 NPN 晶体管吗？ C945是好的吗？

电源

对于输入/输出滤波器、 我指的是 TI 的"模拟工程师计算器"工具。 对于输入滤波器、我使用了一个我在"放大器和比较器"部分中找到的电路。 按照您的回答、我意识到正确的电路是：

或者我弄错了？  

我不知道如何更改输出滤波器。 我遵循与此工具相同的电路、也就是在"无源"部分->"RC 低通滤波器"中找到的电路。  

尊敬的 Thomas：

如果我的 INA125损坏了、我认为有关它的其他词语是无用的！ 我已经订购了另一个 INA125、当我手头上有它时、我会尝试应用您给我的所有建议。

现在、我将您的最后一个帖子标记为解决方案、非常感谢您的所有支持。

此致