Come funziona il calcolatore di guadagno dell’amplificatore da strumentazione
Un amplificatore da strumentazione amplifica la piccola differenza tra due ingressi, come l’uscita di un ponte estensimetrico o di una cella di carico, e reietta la tensione comune a entrambi. La maggior parte degli amplificatori da strumentazione a resistenza singola imposta il guadagno con una resistenza esterna, RG, secondo un’equazione della forma G = 1 + K / RG. K è fissato da resistenze interne ed è riportato nell’equazione del guadagno della scheda tecnica.
Il calcolatore trova la RG esatta per il guadagno desiderato, i valori normalizzati E24 o E96 da entrambi i lati, il guadagno di ciascuno e la tensione di uscita a entrambi gli estremi del campo d’ingresso. Confronta l’uscita con le alimentazioni meno l’escursione d’uscita e consiglia il valore più vicino all’obiettivo che rientra.
La costante di guadagno K
K varia da componente a componente e deve venire dalla scheda tecnica. 49,4 kΩ compare in diversi amplificatori da strumentazione comuni (equazioni di tipo AD620 e INA129), 50 kΩ in altri (tipo INA128) e 100 kΩ in alcuni componenti a basso consumo. Un K preso dalla scheda sbagliata dà qualche per cento di errore di guadagno, che sembra un difetto di taratura.
Valori normalizzati ed errore di guadagno
Una RG esatta raramente è un valore normalizzato. Per G = 100 e K = 49,4 kΩ il valore esatto è 498,99 Ω; 499 Ω (E96) dà G = 99,998. Una RG più piccola dà più guadagno, quindi quando l’uscita è vicina al rail il valore normalizzato maggiore è quello sicuro.
La tolleranza di RG entra nel guadagno come (G − 1)/G × tolleranza: una resistenza allo 0,1 % aggiunge quasi lo 0,1 % di errore di guadagno ad alto guadagno. La scheda aggiunge la tolleranza di K, tipicamente qualche decimo di punto percentuale, e la deriva del guadagno con la temperatura. Una taratura a due punti elimina gli errori iniziali; la deriva resta.
Campo di uscita e pin di riferimento
L’uscita è G × (V+ − V−) + VREF. Con alimentazione singola l’uscita non può raggiungere 0 V: con riferimento a 0 V e senza ingresso resta sotto il limite inferiore di escursione e legge male. Alzare il pin di riferimento, con una sorgente a bassa impedenza come un partitore con buffer, sposta in alto tutto il campo di uscita; 0,5 V o metà alimentazione sono comuni. Il calcolatore mostra il guadagno massimo che tiene entrambi gli estremi dell’ingresso dentro i limiti d’uscita.
Inserisci l’uscita del ponte dal calcolatore per ponti estensimetrici o dal calcolatore per celle di carico, e verifica la risoluzione ottenuta con il calcolatore di risoluzione dell’ADC.
Domande frequenti
Perché conta il campo di modo comune d’ingresso?
Ogni amplificatore interno ha propri limiti di tensione, quindi la tensione di modo comune ammessa dipende dal guadagno e dalla tensione di uscita. Le schede lo mostrano con un diagramma a rombo. Un ponte eccitato dalla stessa alimentazione singola sta a metà alimentazione; verifica quel punto sul diagramma. Questo calcolatore non lo fa.
Posso usare due resistenze in serie per un valore esatto?
Sì, ma tolleranza e coefficiente di temperatura di ciascuna si sommano. Due resistenze allo 0,1 % sono di solito meglio di un valore all’1 %, e un singolo valore E96 è spesso abbastanza vicino.
Dove va messa RG?
Il più vicino possibile ai pin RG, con piste corte e simmetriche. I pin RG vanno agli ingressi degli amplificatori interni, e ogni capacità parassita o disturbo captato lì viene amplificato.