将 30-50 mV 信号缩放到 0-5 V 范围

电器工程 运算放大器 放大器 直流
2022-01-21 17:54:44

我有一个输出信号值 30-50 mV 的 CO 2传感器。我需要为我的微控制器以最高分辨率将这些电压转换为 0-5 V。我知道我可以使用如图所示的同相运算放大器电路将电压放大到 3-5 V 的范围,但是否可以将该范围扩大到 0-5 V 以获得更好的分辨率传感器值?

电路图

3个回答

您可以使用差分放大器减去 30 mV 偏移。

在此处输入图像描述

当 R1 = R2 和 R3 = R4 时,传递函数为

\$ V_{OUT} = \dfrac{R3}{R1}(V_2 - V_1) \$

因此将 V1 设置为 30 mV 并选择 R3 = 250 \$\times \$ R1。

差分放大器的一个问题是 R1 将加载电阻分压器以获得 30 mV 偏移,因此您必须重新计算电阻,而且 V2 的输入阻抗可能会使测量失真。

仪表放大器解决方案。

在此处输入图像描述

大多数仪表放大器都是带有缓冲输入级的差分放大器。输入级设置增益,而差分级通常是 \$\times\$1 放大器。然后放大

\$ V_{OUT} = \dfrac{2 R2}{R1}\cdot \dfrac{R4}{R3} (V_2 - V_1) \$

Microchip MCP6N11是一款合适的器件。

仪表放大器是您在这里需要的(尽管可以使用运算放大器,但需要注意细节)
根据您的电源(单,双),您需要小心。如果使用单电源(例如 0-5V),您必须确保 InAmp 可以处理输入信号电平的共模输入,该电平相对于地为 30-50mV(因此输入范围必须包括地
)您的输出包括接地(如果使用 5V 电源,还有电源轨),您必须确保输出可以完全摆动到两个轨。许多 InAmps 都不做这些事情。LTC2053是一种轨到轨输入/输出选项,正如 Steven 提到的 MCP6N11。

编辑 - LTC2053 不适合,因为输入阻抗不够高。MG811 数据表指定需要输入阻抗大于 100GΩ 的运算放大器/仪表放大器,因此需要 Steven 推荐的 MCP6N11。它的输入电阻为\$ 10^{13}\Omega \$,即\$ 10\ T\Omega \$。
我留下了其余的答案来演示典型的设置,因为无论使用何种 Inamp,原理都是相同的。

无论如何,只要您注意上述内容,设置就非常简单。向反相输入施加 30mV,向同相输入施加信号,并将增益设置为 (5V - 0V) / (50mV-30mV) = 250。

这是一个采用LT1789 InAmp的双轨 (+-5V) 示例电路

LT1789

模拟:

LT1789 辛

单电源 LTC2053 电路(仿真未显示,因为它与上面相同):

LTC2053

使用这样的仪表放大器

由于您要将 30-50mV 放大至 0-5V,因此 5V/(50mV-30mV) = 增益为 250。使用数据表选择增益电阻器。在我的示例中,G = 1 + (100k/Rg),因此对于 402 欧姆,Rg = 100k/(G-1)。这些值需要非常精确,如果有疑问,可以将其放大一点并牺牲一点跨度。由于您需要 0-5V,因此您需要将参考电压设置为 2.5V,因为这是跨度的中间值。为此使用参考二极管。