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工程師通過儀器能夠查看和了解不同電子、機械部分或整個系統內的情況。這些設備通過獲取、分析和顯示數據，讓工程師可以監視和控制機械并進行所有必要的更正。在測試或原型制作過程中，儀器可幫助改進電路，讓設計更新穎、更出色。 由于需要具有豐富功能和高可用性的高性能儀器來滿足各種應用面臨的設計挑戰，我們將會介紹這些儀器為滿足客戶需求而需要具備的特性，然后研究儀表放大器這個關鍵設計組件的重要屬性。 儀器不同，要求不同 不同的市場對儀器有不同的要求，軍事市場更看重可靠性，消費市場更看重成本，醫療市場更看重安全性，而汽車市場則是綜合看重上述所有要素。盡管如此，仍然有必要指出，為滿足未來需求而設計的新儀器通常必須具有以下一項或多項特征： · 速度更快：現代儀器面臨的一個挑戰是要在無損情況下收集大量信號，同時高效、高速地提取這些信號中隱含的信息。更快的測量速度也意味著必須要有足夠的空間來存放在內存中收集的數據。這里最重要的參數之一是采樣率，它與設備的模數轉換器 (ADC) 采樣信號的速度有關。 · 尺寸更小：設備小型化是儀器市場的新興趨勢之一。越來越多的功能被集成到越來越小的設計中，并且不影響測量精度。用于實驗室基準測試的高通道數平臺需要更小的外形尺寸。小型化儀器更容易嵌入到大型工業系統中。為醫療應用而設計的儀器也必須很小，以減小患者佩戴設備的物理尺寸和重量。 · 功耗更低：在不削減功能或增加放大器需求的情況下，與前代產品相比，新設備有望降低功耗。 · 對噪聲和物理或電干擾的抵抗力更強：要求儀器在可能有噪聲、振動和物理沖擊的環境中工作，給設計人員帶來了挑戰。在工業應用中，模擬輸入模塊經常需要在具有極端溫度和濕度，甚至可能有腐蝕性或爆炸性化學品的惡劣環境中獲取和處理遠程傳感器傳來的信號。如今，便攜式儀器幾乎強制要求有一個聯網的用戶界面 (UI) ，其在工作期間很可能會遭受極端溫度以及濕度和物理應力的影響。 · 提高系統可靠性并減少維護停機時間：系統可靠性是最重要的，因為由于設備故障而造成的停機成本可能很高。例如，在海上作業的鉆機上的電子組件發生故障，可能需要一天以上的時間才能取回和更換，在此期間，成本昂貴的深水鉆機將無法工作。 · 盡量小的轉換誤差：比如低量化噪聲。ADC的模擬輸入是具有無限可能狀態的連續信號， 而其數字輸出則是具有不同狀態的離散函數，其狀態取決于設備的分辨率。在從模擬到數字的轉換中，由輸入端的不同電壓表示的模擬信號部分可以在輸出端用相同的數字代碼表示。結果，一些信息丟失并且失真已經引入到信號中， 這被稱為量化噪聲。 · 更高的準確度和足夠的帶寬：準確度表示儀器忠實地顯示被測信號值的能力。帶寬表示輸入信號能夠以最小的振幅損失通過模擬前端的頻率范圍。 · 高效的散熱設計：不得將散熱元件放在對熱敏感的組件附近，并且整個設備的氣流必須充足。 一旦確定了儀器的工作條件和性能指標，就必須在框圖中標識該設備的功能組件。必須選擇合適的傳感器、信號處理電路、數字和無源組件，以及電源。要滿足這些需求，需要高性能組件的完整物料清單 (BOM)，如模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC) 等。ADC用于將模擬信號（如溫度傳感器、無線電接收器或攝像頭的輸出）轉換成數字信號進行處理。而DAC用于將數字信號轉換回模擬信號。 許多應用都需要進行大量的信號調節，以減少噪聲，增加動態范圍并補償傳感器的非線性，儀器才能有效、準確地測量信號。例如，醫療儀器模擬前端中的信號調節要求在存在較大差分直流電勢時檢測小信號，這對產品設計提出了挑戰。比如心電圖 (ECG)，采集和記錄心臟的電活動（圖1）。構成心臟細胞外殼的每個細胞膜都有一個相關的電荷，該電荷在每次心跳期間都會去極化。這些脈沖在皮膚上表現為微小的電信號，可被ECG檢測到，轉換為波形并放大。 
圖1：ECG設備的框圖（圖源：Texas Instruments） 這個過程中的一個關鍵元件 - 儀表放大器（或稱in-amp），是一種特殊類型的放大器。它通常是測量前端的第一個組件，因此其性能對整個儀器的性能至關重要。 一般來說，從傳感器獲得的信號振幅非常小，因此必須先放大，然后才能進行處理和顯示。簡單來說，儀表放大器的功能就是從噪聲環境中的壓力或溫度傳感器以及其他信號源中提取感興趣的小信號（大共模信號之上的差分信號），并放大兩個輸入信號電壓之間的差值。 儀表放大器廣泛用于醫療設備，例如ECG和EEG監護儀，血壓監護儀和除顫器。可能使用儀表放大器的其他儀器應用示例包括音頻（例如，作為麥克風前置放大器）、電纜射頻 (RF) 系統中的高頻信號放大，以及用于視頻成像的高速信號調節。 通過測量三相交流電機的電壓、電流和相位關系，儀表放大器還可用于電機監控（監測和控制電機速度、轉矩等）。 儀表放大器和運算放大器之間的主要區別在于，運算放大器是一種開環設備， 而儀表放大器則帶有一個預設的內部反饋電阻器網絡，該網絡與其輸入端子隔離。與運算放大器一樣，它的輸出阻抗也非常低。 選擇適合特定電路設計的儀表放大器需要清楚地了解其特性以及如何在產品數據手冊中體現它們。 定義高品質儀表放大器的幾個屬性包括： · 高共模抑制比 (CMRR)：這是儀表放大器的基本品質因數。由于理想的儀表放大器只檢測其輸入之間的電壓差，所以任何共模信號（兩個輸入的電位相等）在輸入級都會被拒絕，并且不放大。事實上，儀表放大器對共模信號的抑制程度是通過CMRR測量的，CMRR就是儀表放大器的差分增益除以共模增益。 儀表放大器的CMRR至少應在需要抑制的輸入頻率范圍內較高，總體而言，CMRR值越大越好。 · 低噪聲：因為儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，所以儀表放大器一定不能在信號噪聲中增加自己的噪聲。顯然，噪聲值越小越好。儀表放大器的噪聲性能通常隨增益而提高，因此應在適當的增益下比較儀表放大器。 · 低輸入失調電壓和失調電壓漂移：與運算放大器一樣，儀表放大器必須具有低失調電壓。電壓偏移是誤差的來源，并取決于放大器的拓撲；它的范圍可以從幾微伏到幾毫伏。放大器的運行會隨溫度而變化。即便是高精度放大器，也容易受到溫度漂移的影響。雖然可以通過外部調整來抵消失調電壓，但無法調整失調電壓漂移。與初始失調一樣，失調漂移具有兩個分量，儀表放大器的輸入和輸出部分各自貢獻了誤差的一部分。隨著增益的增加，輸入級的失調漂移可能成為失調誤差的主要來源。 · 低增益誤差：通常以最大百分比表示，代表特定放大器距離理想增益方程的最大偏差。儀表放大器的增益可以由制造商預設，也可以由用戶使用外部增益電阻器設置，或者通過儀表放大器的某些引腳操控內部電阻器來設置。 電阻器網絡中電阻器值和溫度梯度的變化都可能導致增益誤差。 · 低非線性：盡管可以校正輸入失調誤差，但非線性是固有的性能限制，不能通過外部調整來消除。非線性通常用滿量程的百分比來表示，制造商在正負滿量程電壓和零時測量儀表放大器的誤差。低非線性必須由制造商設計。 現在，我們來看一下在Mouser.com網站的“新品速遞”部分找到的幾個真實示例。Analog Devices的AD8428儀表放大器旨在精確測量微小的高速信號。它具有業界領先的增益精度 (0.2％)、噪聲和帶寬。ADI AD8428（圖2）具有固定增益2000，是業界最快的儀表放大器之一。AD8428的高CMRR（最小值為130 dB），可防止有害信號破壞采集數據。器件的引腳排列旨在避免寄生電容失配，該失配會在高頻下降低CMRR。據說該ADI器件非常適合用于傳感器接口、醫療儀器和患者監護應用。
圖2：AD8428的功能塊（圖源：Analog Devices） Texas Instruments INA826精密儀表放大器具有極低的功耗，并能在很寬的單電源或雙電源范圍內工作。從負電源電壓到1V正電源電壓，整個輸入共模范圍內的共模抑制比均超過84dB。TI INA826使用軌到軌輸出，非常適合從2.7V單電源以及高達±18V的雙電源的低電壓操作。TI INA826儀表放大器設計用于多種應用，包括工業過程控制、斷路器、電池測試和ECG放大器。 結論 總而言之，為了應對市場上不同行業提出的設計挑戰，電子儀器和測量設計正在突破性能、功率和集成功能的界限。本文介紹了現代儀器滿足客戶期望所需的特性，并研究了儀表放大器的重要特性。貿澤電子公司擁有大量的儀表放大器和其他部件及設計資源，可幫助工程師采集、監測、控制或測量不同信號、過程和協議。 來源：貿澤電子 作者：Murray Slovick |
