instrumentation amplifier
DESCRIPTION
Instrumentation Amplifier. Single Chip INA. Di pasaran sudah tersedia INA single chip yang siap pakai Tidak harus membuat dari 3 op amp Penguatan lebih presisi karena semua komponen (kecuali Resistor Gain) dikemas dalam single-chip dan terjaga presisinya Harga Lebih mahal (>Rp 60 ribu). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Instrumentation Amplifier
Single Chip INA
• Di pasaran sudah tersedia INA single chip yang siap pakai
• Tidak harus membuat dari 3 op amp• Penguatan lebih presisi karena semua
komponen (kecuali Resistor Gain) dikemas dalam single-chip dan terjaga presisinya
• Harga Lebih mahal (>Rp 60 ribu)
Single Chip INA
• Pada INA single chip, umumnya gain differential stage dibuat 1 sehingga R1 = R2
• Besarnya Gain hanya tergantung RG
Vref
Vout
Single chip INA di pasaran
• Beberapa jenis INA yang ada di pasaran Indonesia
• AD620 • INA114• INA121• INA102 (sudah obsolete)
Produksi Analog Device
Produksi Burr-Brown
AD620
pinout Schematic view
Pin 1 & 8 : RG Untuk menentukan gain
Pin 7 : +Vs dihubungkan ke tegangan catu positifPin 4 : -Vs dihubungkan ke tegangan catu negatifPin 5: REF dihubungkan ke tegangan referensi: pada mode split supply ke ground, pada mode dual supply ke pembagi tegangan yang terbufferPin 2 & 3: -IN dan +IN tegangan masukan inverting dan non inverting
Gain AD620
Diukur terhadap Vref
Contoh rangkaian: interface strain gage ke ADC
• Diketahui spec strain gage(SG): Misalnya suatu SG memiliki hambatan nominal 120 ohm. Pada beban maksimal, SG memiliki hambatan 119 ohm.
• Diketahui spec ADC: ADC0804 8 bit, dilengkapi pin REF/2, input diferensial
Data out = (Vin1-Vin2) x 255 / (2xVref_adc)
Range data out : 0 s/d 255 (karena 8 bit)
Vd max = 2Vref_adc data=255Vd min = 0 data=0
Vref_adc max = ½ Vcc ADC = 2.5 V
Vref_adc
Vin1
Vin2
Input = Vd = Vin1-Vin2
Vin1&Vin2 < Vcc (5V)
Diagram blok rangkaian
RangkaianSG
(resistor bridge)INA ADC
Solusi 1: menggunakan split supply
• INA menggunakan split supply +Vs=12V , -Vs=-12V, dan Vref=GND=0 V
• ADC bisa dibuat full range dengan Vref_adc=1/2 VCC=2.5 V
• ADC Vin min=0 V; Vin max=5 V• IN+ Vin(out INA), IN- GND
skematik
Menghitung gain INA
• RSG max= 120 ohm (nominal)
• RSG min = 119 ohm (beban max)
• VAB min = 0 V (saat RSG = nominal)
• VAB max = [120/(120+120) – 119/(119+120)] x 5 = (0.5 – 0.498)*5
= 0.01 V (saat RSG = beban max)
• Vin_adc min = 0• Vin_adc max= Vref_adc=5V• Gain = (Vin_adc max – Vin_adc min)/(VAB max – VAB min)
= 5 / 0.01 = 500
Menghitung RG
• Menggunakan AD620
RG = 49400/(500 – 1) = 98.99 ohm ~ 100 ohm
Solusi 2: menggunakan single supply
• Digunakan catu yang sama untuk INA dan ADC misal: Vcc=5V
• INA +Vs = 5 V, -Vs = 0 V, Vref=?• Menentukan Vref INA :
– Aturan: (dari datasheet ad620)– Vref min = -Vs+1.6 V ; Vref max = +Vs -1.6 V– Jadi untuk catu single 5V 1.6 < Vref < 3.4– Misal Vref dipilih 2 V
Menentukan range output INA• Input VAB range 0 s/d 0.01 dari bridge• Vout min INA ketika VAB=0 Vout=Vref=2V• Vout max INA ketika VAB=0.01 Vout=?• Untuk menentukan Vout max harus
memperhatikan output swing IC AD620• Output voltage swing INA -Vs+1.1 s/d +Vs-
1.2 (menurut datasheet)• Dengan catu single 5V 1.1V s/d 3.8V• Vout max < 3.8 V out max=3 V• Range output INA : 2V – 3V (ΔVoutINA= 1V)
Menentukan REF ADC
• Range input ADC = ΔVoutINA=1 V• Karena range input ADC 0 s/d
2Vref_ADC, maka Vref_ADC=0.5 V• Range out INA 2V-3V• Vin1 Vout INA, Vin2 2V
Vref_adc
Vin1
Vin2
Skematik
2V
0.5V
08042V
2V
0.5V
Menentukan Gain dan RG
• Gain=Range output/range input = 1V / 0.01V
= 100• RG = 49400/(100-1)=498 ohm• Yang ada di pasaran 510 ohm
Interface dengan termokopel
Suhu yang diukurSuhu referensi
Prinsip kerja : jika terdapat perbedaan suhu antara bagian yang ‘bersatu’(measuring junction) dan bagian yang ‘berpisah’(reference) maka akan terdapat beda potensial antara bagian yang ‘berpisah’
Vout sebanding dengan (Tm – Tref)
Terminal A
Terminal B
2 kawat/elemen dari 2 material yang berbeda, salah satu ujung ‘disatukan’Ujung yang lain ‘dipisah’
Tegangan output termokopel• Tegangan out T’kopel(Vtc) sebanding dengan Tm – Tref• Vtc = S(Tm – Tref) dianggap linear• S=seebeck coefficient
Paling linear
Pengukuran suhu dengan termokopel
• Kedua terminal termokopel langsung dihubungkan ke alat ukur/signal conditioner
Signal conditioner/ voltmeter
Tm Tref Tergantung suhu ruangan tempat pengukuran
Akibatnya : nilai yang terukur (Vtc) akan tergantung suhu ruangan tempat pengukuran. Vo bisa berbeda walaupun Tm nya sebenarnya sama Karena Tref nya berbeda
Vtc
Objek yangdiukur
Pengukuran suhu dengan termokopel
• Dengan memberi tegangan kompensasi pada reference junction
• Tegangan kompensasi (Vc) harus bisa berubah mengikuti perubahan suhu ruangan (Vc sebanding dengan suhu ruangan)
• Piranti pemberi kompensasi juga harus berupa ‘sensor suhu’
Diagram termokopel dengan kompensasi
kompensator
Vtc
Vc
Vout=Vtc+Vc = S(Tm – Tref) + Vc
Jika dibuat Vc = S Tref,Vout = S Tm
T’kopel
VoutTm
Tref
Rangkaian kompensator• Menggunakan komponen yang bisa
menghasilkan tegangan sebanding dengan suhu• Salah satu contoh yang paling sederhana
adalah dioda 1N914VCC
0
R1
15k
D1
D1N914
Dibias maju Vd=0.6V – 2.5mV x T
Linear terhadap suhu
T : suhu dalam oC
Bagaimana menghubungkan kompensator ke termokopel?
• Dipasang R pembagi tegangan pada dioda(R2 & R3) supaya dihasilkan perubahan tegangan yang sama dengan termokopel
0
VCC R3
R2
D1
D1N914R1
15k
Vtc = S(Tm – Tref)
Vc
Vc = (2.5mVxTref – 0.6V)x R2/(R2+R3)
V dioda (diukur terbalik) Pembagi tegangan
VoutPada perancangan,2.5mV x R2/(R2+R3)dibuat sama dengan S
• Vout = Vc + Vtc= (2.5mVxTref – 0.6V)x R2/(R2+R3) +S(Tm – Tref)= 2.5mV x R2/(R2+R3) x Tref – 0.6V x R2/(R2+R3) + S(Tm – Tref) = S Tref – 0.6V x R2/(R2+R3) + S Tm – S Tref
= S Tm – 0.6V x R2/(R2+R3)
Dibuat sama dengan S
Suhu yang diukur Ofset, besarnya tetap
Menentukan R2 dan R3
• Tergantung jenis termokopel. Misal tipe K, S=40.8 uV/ oC
• 2.5mV x R2/(R2+R3) = 40.8 uV• R2/(R2+R3) = 0.01632• Tentukan R2=200, maka R2+R3=12254• R3=12054 12 K
Koneksi ke INA
• Vout rangkaian termokopel & kompensasi disambungkan ke terminal input INA
• Perlu ditambah rangkaian penghilang offset yang dipasangkan pada pin VREF INA (rangkaian zero adjust)
Skematik
Termokopel
TC
1
2
A
B
U1
AD620/AD
6
3
2 5
74
1
8 OUT
+
- REF
V+V-
RG1
RG20
RG U3A
LM324
3
2
411
1+
-
V+V-
OUT
V115Vdc
R4
POT
13
2
R3
R1
R61M
R2
V215Vdc 0
D1
D1N914
R7500
Vout
Vtc
Vc
Vout rangkaianT’kopel & kompensasi
INA
Rangkaian zero adjust