Download Instrumentation Amplifierv2

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
Vout
Vref
• Pada INA single chip, umumnya gain differential stage dibuat 1
sehingga R1 = R2
• Besarnya Gain hanya tergantung RG
Single chip INA di pasaran
• Beberapa jenis INA yang ada di pasaran
Indonesia
Produksi Analog Device
• AD620
• INA114
Produksi Burr-Brown
• INA121
• INA102 (sudah obsolete)
AD620
pinout
Schematic view
Pin 1 & 8 : RG  Untuk menentukan gain
Pin 7 : +Vs  dihubungkan ke tegangan catu positif
Pin 4 : -Vs  dihubungkan ke tegangan catu negatif
Pin 5: REF  dihubungkan ke tegangan referensi: pada mode split
supply ke ground, pada mode dual supply ke pembagi tegangan yang
terbuffer
Pin 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)
Vref_adc
Vin1
Range data out : 0 s/d 255 (karena 8 bit)
Input = Vd = Vin1-Vin2
Vin2
Vd max = 2Vref_adc  data=255
Vd min = 0  data=0
Vin1&Vin2 < Vcc (5V)
Vref_adc max = ½ Vcc ADC = 2.5 V
Diagram blok rangkaian
Rangkaian
SG
(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
Vref_adc
Vin1
Vin2
• 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
Skematik
0.5V
2V
2V
2V
0.5V
0804
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
Terminal A
Terminal B
Suhu referensi
Suhu yang diukur
2 kawat/elemen dari 2 material yang berbeda, salah satu ujung ‘disatukan’
Ujung yang lain ‘dipisah’
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)
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
Objek yang
diukur
Tm
Signal conditioner
Vtc / voltmeter
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
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
Tref
T’kopel
Vtc
Tm
Vout
kompensator
Vc
Vout=Vtc+Vc
= S(Tm – Tref) + Vc
Jika dibuat Vc = S Tref,
Vout = S Tm
Rangkaian kompensator
• Menggunakan komponen yang bisa
menghasilkan tegangan sebanding dengan suhu
• Salah satu contoh yang paling sederhana
adalah dioda 1N914
V CC
R1
Linear terhadap suhu
15k
Dibias maju
D1
Vd=0.6V – 2.5mV x T
D1N914
0
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
Vtc = S(Tm – Tref)
Pada perancangan,
2.5mV x R2/(R2+R3)
dibuat sama dengan
S
Vout
0
R2
V CC
D1
Vc
R3
R1
D1N914
15k
Vc = (2.5mVxTref – 0.6V)x R2/(R2+R3)
V dioda (diukur terbalik)
Pembagi tegangan
• 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)
Dibuat sama dengan S
= S Tref – 0.6V x R2/(R2+R3) + S Tm – S Tref
= S Tm – 0.6V x R2/(R2+R3)
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
Ter mokopel
3
Vtc
R4
0
R2
8
2
OUT
RG2
-
A D620/A D
R3
REF
6
5
V2
15V dc
+
4
U3A
3
R7
500
OUT
2
0
LM324
4
D1
R6
1M
V+
+
RG1
15V dc
U1
V+
Vc
3
1
V-
RG
POT 2
V1
7
TC
D1N914
-
V-
2
11
B
1
1
A
R1
T’kopel & kompensasi
INA
V out
Vout rangkaian
Rangkaian zero adjust
1