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 AD620 INA114 INA121 INA102 (sudah obsolete) Produksi Analog Device Produksi Burr-Brown

AD620 Schematic view pinout 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 Vin2 Range data out : 0 s/d 255 (karena 8 bit) Input = Vd = Vin1-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 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 VAB max = [120/(120+120) – 119/(119+120)] x 5 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)

Range input ADC = ΔVoutINA=1 V 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 0804 2V 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 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 Signal conditioner / voltmeter Objek yang diukur Vtc 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

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=Vtc+Vc = S(Tm – Tref) + Vc Jika dibuat Vc = S Tref, Vout = S Tm Vout kompensator Vc

Rangkaian kompensator Menggunakan komponen yang bisa menghasilkan tegangan sebanding dengan suhu Salah satu contoh yang paling sederhana adalah dioda 1N914 Linear terhadap suhu Dibias maju Vd=0.6V – 2.5mV x T 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 Vc Vc = (2.5mVxTref – 0.6V)x R2/(R2+R3) V dioda (diukur terbalik) Pembagi tegangan

= (2.5mVxTref – 0.6V)x R2/(R2+R3) +S(Tm – Tref) 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 INA Vtc Vc Vout rangkaian T’kopel & kompensasi Rangkaian zero adjust