Разработка и моделирование принципиальной схемы

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители (ИУ) – это прецизионные усилительные блоки, которые имеют дифференциальный вход, а их выход может быть дифференциальным или несимметричным по отношению к опорному напряжению. Эти усилители обеспечивают усиление разности между напряжениями двух входных сигналов, ослабляя любые сигналы, которые являются общими для обоих входов. Инструментальные усилители широко применяются во многих задачах сбора данных, промышленных, измерительных и медицинских приложениях, где требуется поддержание высокой точности статических характеристик и малой погрешности коэффициента усиления на фоне шумов и в присутствии сильных синфазных сигналов (обычно, на частоте напряжения питания сети переменного тока).

Выберем инструментальный усилитель с типом корпуса SOIC(SO) (Small-Outline Integrated Circuit) — тип корпуса микросхемы, предназначенный для поверхностного монтажа.

Рассмотрим несколько моделей с похожими характеристиками:

Наименование	Input offset current max (nA) Максимальный ток смещения (нА)	Input voltage offset max (µV) Максимальное напряжение смещения (мкВ)	CMRR (dB) Коэффициент подавления синфазной помехи (дБ)	Operating voltage range (V) Напряжение питания (В)	BW (kHz) Диапазон рабочих частот (кГц)
AD620				±2,3 to ±18
AD622				±2,6 to ±18
AD8230				±4 to ±8 8 to 16
AD8421B	0,5			±2,5 to ±18
AD8221A				±2,3 to ±18

Выберем инструментальный усилитель AD8221A, поскольку у него наименьшие ток и напряжение смещения, допустимые коэффициент подавления синфазной помехи и диапазон рабочих частот. Коэффициент усиления примем равным 5.

Пиковый детектор

Пиковые детекторы применяются для определения пиковых значений входного колебания. В простейшем случае для этой цели можно использовать диод и конденсатор. Однако, эта схема нечувствительна к малым напряжениям из-за присутствующего диода.

Учтем особенности измеряемого сигнала, а именно то, что, во-первых, реосигнал состоит из двух компонент – так называемых базового и дифференциального импеданса. Во-вторых, базовый импеданс – это некоторая положительная константа. Следовательно, измеряемый реосигнал – не близкая к нулю величина, а значит, в данном случае можно применить простейшую схему детектора.

Осуществим подбор параметров.

Промоделируем детектор в среде MicroCap.

Рис.4. Пиковый детектор в среде MicroCap.

Рис.5. Анализ переходных процессов паикового детектора в среде MicroCap/

Рис.6. Анализ переходных процессов паикового детектора в среде MicroCap/

Фильтры верхних и нижних частот

Для согласования измеренного аналогового сигнала с АЦП необходимо определить диапазон необходимого усиления сигнала.

Для обработки реограмм чаще всего используется АЦП разрядностью 12 бит.

Тогда разрешающая способность АЦП будет иметь значение

Диапазон измерения базового сопротивления 10 – 200 [Ом], дифференциального сопротивления – 0,01 – 2 [Ом]. Величина измерительного тока 1 [мА].

Тогда максимальное значение «базового» напряжения составит 200 [мВ], а его разрешение примем равным 0,5 [мВ]. Следовательно, диапазон значений коэффициента усиления для «базового» напряжения:

Максимальное значение «дифференциального» напряжения 2 [мВ], его разрешение примем равным 0,001 [мВ]. Тогда диапазон значений коэффициента усиления «дифференциального» напряжения:

Диапазон частот реосигнала лежит в пределах от 0,1 Гц до 30 Гц.

Фильтр верхних частот. Расчет и моделирование

Зададим частоту среза fc=0,05 Гц. Выбирем неинвертирующий фильтр верхних частот первого порядка.

Исходя из рассуждений, описанных выше, коэффициент усиления фильтра примем 20.

Рассчитаем элементы схемы. Основные соотношения:

Выберем (в соответствии с «ГОС 28884-90 Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов»):

R1=100 [кОм];

R2=1 [кОм];

R3=18 [кОм];

C1=33 [мкФ].

Проверим подобранные параметры:

Промоделируем выбранный ФВЧ в среде MicroCap.

Рис.7. Неинвертирубщий фильтр верхних частот в среде MicroCap.

Рис.8. Частотный анализ ФВЧ в среде MicroCap.

Фильтр нижних частот. Расчет и моделирование

Частоту среза фильтра нижних частот выберем, исходя из полосы частот исследуемого сигнала. Примем частоту среза равную fc=30 Гц.

Для реализации выберем фильтр Баттерворта второго порядка.

Основные соотношения:

ФНЧ1

Коэффициент усиления: 20.

Определим номиналы элементов схемы (в соответствии с «ГОС 28884-90 Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов»):

R1=1 [кОм];

R2=245 [кОм];

R3=1 [кОм];

R4=18 [кОм];

C1=0,1 [мкФ];

C2=1 [мкФ].

Проверим, подходят ли выбранные элементы:

Промоделируем рассчитанный фильтр в среде MicroCap.

Рис.9. Фильтр нижних частот второго порядка в среде MicroCap.

Рис.10. Частотный анализ ФНЧ в среде MicroCap.

ФНЧ2

Коэффициент усиления данного фильтра: 5.

Определим номиналы элементов схемы (в соответствии с «ГОС 28884-90 Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов»):

R1=2 [кОм];

R2=200 [кОм];

R3=1 [кОм];

R4=3,9 [кОм];

C1=0,01 [мкФ];

C2=1 [мкФ].

Проверим, подходят ли выбранные элементы:

Промоделируем рассчитанный фильтр в среде MicroCap.

Рис.11. Фильтр нижних частот второго порядка в среде MicroCap.

Рис.12. Частотный анализ ФНЧ в среде MicroCap.