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Rechner für Instrumentenverstärker-Verstärkung

Den Verstärkungswiderstand für einen Brücken- oder Sensorverstärker wählen und prüfen, dass der Ausgang innerhalb der Versorgung bleibt.

Verstärkung

Widerstandsreihe

Eingang und Ausgang

Ergebnis

499Ω

E96-Wert; Verstärkung 99,998 (-0,002 % vom Sollwert).

Exakter RG
498,99 Ω49,4 kΩ / (100 − 1)
E96 487 Ω
G = 102,44+2,44 % · 0,500 V … 2,549 V
E96 499 Ω
G = 99,998-0,002 % · 0,500 V … 2,500 V
Ausgangsgrenzen
0,100 V … 4,900 VVersorgung minus 0,1 V Hub
Größte passende Verstärkung
220für diesen Eingangsbereich und diese Referenz
Verstärkungsfehler aus der RG-Toleranz
±0,099 %±0,1 % Widerstand; K hat eine eigene Toleranz
Eingangsspanne
20 mV2 V am Ausgang
Formeln und Normen
G = 1 + K / RG   RG = K / (G − 1)
Vout = G × (V+ − V−) + VREF   ΔG / G = (G − 1) / G × ΔRG / RG

Ein Instrumentenverstärker mit drei Operationsverstärkern und einem Verstärkungswiderstand hat G = 1 + K / RG, wobei K durch interne Widerstände festgelegt ist und in der Verstärkungsgleichung des Datenblatts steht (49,4 kΩ, 50 kΩ und 100 kΩ sind üblich). Der Ausgang ist G × (V+ − V−) plus die Spannung am REF-Pin und muss an beiden Enden des Eingangsbereichs innerhalb der Aussteuergrenzen der Versorgung bleiben.

Normwiderstände ergeben selten die exakte Verstärkung: Der Rechner zeigt die E-Reihen-Werte auf beiden Seiten und die jeweilige Verstärkung. Die Toleranz von RG geht als (G − 1)/G × Toleranz in die Verstärkung ein; das Datenblatt ergänzt die Toleranz von K und die Verstärkungsdrift. Bei einfacher Versorgung muss der REF-Pin den Ausgang über die negative Versorgung heben, wenn der Eingang null oder negativ ist. Der Gleichtakt-Eingangsbereich wird hier nicht geprüft; er hängt von der Verstärkung ab und steht im Datenblatt als Rautendiagramm.

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So funktioniert der Rechner für die Instrumentenverstärker-Verstärkung

Ein Instrumentenverstärker verstärkt die kleine Differenz zwischen zwei Eingängen, etwa den Ausgang einer Dehnungsmessbrücke oder Wägezelle, und unterdrückt die beiden gemeinsame Spannung. Die meisten Instrumentenverstärker mit einem Widerstand stellen ihre Verstärkung mit einem externen Widerstand RG nach einer Gleichung der Form G = 1 + K / RG ein. K ist durch interne Widerstände festgelegt und steht in der Verstärkungsgleichung des Datenblatts.

Der Rechner bestimmt den exakten RG für Ihre Sollverstärkung, die Normwerte der Reihe E24 oder E96 auf beiden Seiten, die jeweilige Verstärkung und die Ausgangsspannung an beiden Enden Ihres Eingangsbereichs. Er prüft den Ausgang gegen die Versorgung abzüglich des Ausgangshubs und empfiehlt den Wert, der dem Ziel am nächsten liegt und passt.

Die Verstärkungskonstante K

K unterscheidet sich zwischen Bauteilen und muss aus dem Datenblatt kommen. 49,4 kΩ findet sich in mehreren verbreiteten Instrumentenverstärkern (Gleichungen vom Typ AD620 und INA129), 50 kΩ in anderen (Typ INA128) und 100 kΩ in einigen stromsparenden Bauteilen. Ein K aus dem falschen Datenblatt ergibt einige Prozent Verstärkungsfehler, die wie ein Kalibrierfehler aussehen.

Normwerte und Verstärkungsfehler

Ein exakter RG ist selten ein Normwert. Für G = 100 und K = 49,4 kΩ ist der exakte Wert 498,99 Ω; 499 Ω (E96) ergibt G = 99,998. Ein kleinerer RG ergibt eine höhere Verstärkung; liegt der Ausgang nahe an der Versorgung, ist daher der größere Normwert der sichere.

Die Toleranz von RG geht als (G − 1)/G × Toleranz in die Verstärkung ein: Ein 0,1-%-Widerstand ergibt bei hoher Verstärkung fast 0,1 % Verstärkungsfehler. Das Datenblatt ergänzt die Toleranz von K, typisch einige Zehntelprozent, und die Temperaturdrift der Verstärkung. Eine Zweipunktkalibrierung beseitigt die Anfangsfehler; die Drift bleibt.

Ausgangsbereich und Referenzpin

Der Ausgang ist G × (V+ − V−) + VREF. Bei einfacher Versorgung erreicht der Ausgang nicht 0 V: Mit 0 V Referenz und ohne Eingangssignal liegt er unter der unteren Aussteuergrenze und zeigt falsch. Wird der Referenzpin mit einer niederohmigen Quelle, etwa einem gepufferten Teiler, angehoben, verschiebt sich der ganze Ausgangsbereich nach oben; 0,5 V oder die halbe Versorgung sind üblich. Der Rechner zeigt die größte Verstärkung, bei der beide Enden Ihres Eingangs innerhalb der Ausgangsgrenzen bleiben.

Geben Sie den Brückenausgang aus dem Rechner für Dehnungsmessbrücken oder dem Wägezellen-Rechner ein und prüfen Sie die resultierende Auflösung mit dem Rechner für ADC-Auflösung.

Häufige Fragen

Warum zählt der Gleichtakt-Eingangsbereich?

Jeder interne Verstärker hat eigene Spannungsgrenzen, daher hängt die zulässige Gleichtaktspannung von Verstärkung und Ausgangsspannung ab. Datenblätter zeigen das als rautenförmiges Diagramm. Eine aus derselben einfachen Versorgung gespeiste Brücke liegt bei halber Versorgung; prüfen Sie diesen Punkt am Diagramm. Dieser Rechner tut das nicht.

Kann ich zwei Widerstände in Reihe für einen exakten Wert nehmen?

Ja, aber Toleranz und Temperaturkoeffizient jedes Widerstands addieren sich. Zwei 0,1-%-Widerstände sind meist besser als ein 1-%-Wert, und ein einzelner E96-Wert ist oft nah genug.

Wo sollte RG sitzen?

So nah wie möglich an den RG-Pins, mit kurzen, symmetrischen Leiterbahnen. Die RG-Pins führen an die Eingänge der internen Verstärker, und Streukapazität oder Einstreuung dort wird mitverstärkt.

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