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