電壓隨耦器 (單位增益緩衝器) 與資料擷取設備的結合應用

首先我們必須掌握一些基本概念。
什麼是「電壓隨耦器 」(voltage follower)？
電壓隨耦器提供高輸入阻抗以及低輸出阻抗，能從一個高輸出阻抗的電路，以低輸入阻抗將電壓轉移到另一個電路，同時保持電壓不變。可用於消除量測訊號中的鬼影 (ghosting) 與道間串擾 (crosstalk)。

什麼是「傳感器」(transducer)？
傳感器是資料擷取系統的常見元件，用於將應變 (strain) 及壓力 (pressure) 等物理現象轉換成資料擷取設備能夠擷取的電子訊號。常見的傳感器包括麥克風、溫度計、熱電偶與應變規。

如何將傳感器、資料擷取設備與電壓隨耦器結合使用？
若要選擇一個與資料擷取設備同時使用的傳感器，則需要考慮傳感器的輸入輸出範圍，以及輸出電壓還是電流。通常傳感器與資料擷取設備組成的系統都需要訊號處理元件，才能從感測器擷取訊號，並充分利用資料擷取設備的敏感度。不過，建構資料擷取系統時，傳感器的輸出阻抗經常被忽略。因此，我們需要用電壓隨耦器降低輸出阻抗，提升量測系統的精確度，詳細配置與範例說明請參閱「以電壓隨耦器降低源阻抗」一節。

什麼是「阻抗」 (impedance)？
阻抗是電路輸出或輸入端的電阻 (resistance)、電感 (inductance) 與電容 (capacitance) 總和。圖 1 示範了資料擷取設備的電阻式輸出阻抗 (resistive output impedance) 與電阻式輸入阻抗 (resistive input impedance)。實際上，電容與電感都存在於資料擷取系統中。重要的是，相對於傳感器的輸出阻抗，資料擷取設備的輸入阻抗會高許多。一般情況下，資料擷取設備的輸入阻抗越高，則該設備對訊號量測的干擾越低。選擇傳感器時，輸出阻抗越低越好，資料擷取設備便能擷取到最準確的模擬輸入 (AI) 讀數。以下各節將說明高輸出阻抗 (output impedance) 如何影響量測系統，以及如何利用電壓隨耦器 (voltage follower) 降低感測器的輸出阻抗，而電壓隨耦器也稱為單位增益緩衝器 (unity gain buffer)。

圖 1. 典型的傳感器與資料擷取設備模型

若電阻式阻抗納入計算當中，如圖 1 所示，傳感器的輸出阻抗與資料擷取設備的輸入阻抗構成了一個分壓器 (voltage divider)。資料擷取設備中，可程式化增益儀表放大器 (Programmable Gain Instrumentation Amplifier, PGIA) 的實際輸入電壓可透過以下分壓器方程式計算：

V_input = V_s * ( R_d / (R_s + R_d) )

舉例來說，如果 R_s 與 R_d 相等，可程式化增益儀表放大器讀取的電壓會是傳感器輸出電壓的一半，這結果並非量測系統的理想表現。若 Rd 值極高，而Rs值極小，則 Vinput 與 Vs 會幾乎相等。量測系統行為是否理想，需考慮到傳感器與資料擷取設備的電阻式阻抗。當系統包含電感與電容，便會出現相變與訊號過濾。

以多工器於多個通道進行取樣，則需要考慮到其他行為。於多個通道取樣時，高源阻抗會增加資料擷取儀放大器的整定時間 (settling time) ，進而影響整個資料擷取系統。整定時間是指量測訊號時，一個訊號達到某精確度並留在容差範圍所需的時間。從高源阻抗的訊源取樣，由於資料擷取設備的輸入電容，以及一個稱為「電荷注入」 (charge injection) 的現象，整定時間因而提高。當資料擷取設備的輸入多工器切換到一個特定通道，資料擷取設備的輸入電容必須由源頭的輸出阻抗充電。若源阻抗特別高，這樣的輸出阻抗則需時較久。當從多工器選擇了一個通道，例如模擬輸入通道 0，那些電容器便會儲存電荷。然後，選擇下一個通道（比如模擬輸入通道 1 ）時，累積起來的電荷便會回流到前一個通道。若連接通道 1 的訊號源有夠高的輸出阻抗，由於注入的電荷在訊號取樣時尚未衰減，讀數便會反映通道 0 的電壓趨勢。這種行為通稱為「鬼影」(ghosting) 或「道間串擾」(crosstalk)。另外，多工器都含有由切換電容器 (switched capacitor) 組成的切換器。這些電容器會把少量電荷帶到訊號，若源阻抗太高，電荷便會困在訊源的高輸出阻抗與資料擷取設備的高輸入阻抗中，並不會在進行訊號取樣時隨時間消散。這現象稱為電荷注入，是所有固態多工器的特性。這時，可在系統中放置電壓隨耦器，以便解決鬼影與道間串擾的問題。

如你所見，一旦多工器切換到一個新通道，資料擷取設備的輸入電容便會出現兩種誤差。第一種誤差是前一個取樣通道的殘餘電荷 (residual charge)。第二種誤差是多工器把電荷帶到訊號。要在可程式化增益儀表放大器讀取準確電壓，所有能夠構成誤差的電荷都必須在訊號取樣前消散。若訊源的阻抗很低，便能快速消散電荷，容許訊號達到準確值才進行取樣。

要建構理想的多 AI 通道取樣環境，應保持低源阻抗 (低於 1 kW)。但是，若高源阻抗阻礙訊號於資料擷取設備特定的準確範圍內穩定下來，便要降低取樣率以迎合延長了的整定時間，或於傳感器與資料擷取設備之間放置電壓隨耦器 (或單位增益緩衝器) 以降低源阻抗。

如果沒有低輸出阻抗的傳感器，也無法降低資料擷取設備的取樣率時，就必須將每個高阻抗源連結到設有運算放大器 (op-amp) 的電壓隨耦器，並將單位增益的增益值設為 1，才能與資料擷取設備連接。這配置通稱為單位增益緩衝，能降低連接至資料擷取設備的訊源阻抗。運算放大器需要達 +/- 15V 的電源，而電源應以資料擷取設備的模擬輸入接地 (AIGND) 為準。

如圖 2 所示，訊號的正極引線與運算放大器的正輸入端相連。運算放大器的輸出端則透過電阻器 (Ro) 與資料擷取設備的正輸入端相連。傳感器的負極引線取決於輸入通道的配置，連接到另一個運算放大器 (如圖 2 所示) 或 AIGND/AISENSE (如圖 3 和 4 所示)。當使用浮動差動輸入或非參照輸入時，則必須於負輸入端與 AIGND 中放置一個偏置電阻器，確保訊號維持在共模範圍 (common-mode range) 之內，並防止可程式化增益儀表放大器飽和。如圖 5 所示，負輸入端與電源的共模連接之間，放置了一個偏置電阻器 (RB)。若要進一步了解輸入通道配置，請參閱模擬訊號的現場接線與雜訊考量。

圖 2. 用於接地差動連接 (grounded differential connection) 的電壓隨耦器



圖 3. 用於浮動單端連接 (floating single-ended connection) 的電壓隨耦器



圖 4. 用於接地單端連接 (grounded single-ended connection) 的電壓隨耦器



圖 5. 用於浮動差動連接 (grounded single-ended connection) 或非參照連接 (nonreferenced connection) 的電壓隨耦器

將電壓隨耦器置於量測系統時，需要選擇合適的元件以保持量測精確度與表現。選擇運算放大器的考量如下：

• +/- 15V (> 32V 處理) 乾淨的電源，並參照 AIGND
• 用精準、低雜訊與內設場效電晶體 (FET) 輸入的運算放大器，以取得最佳效果
• (建議) R_sI_B < 1 最小有效位元 (LSB) 以獲得最佳增益
  1. R_s = 源阻抗
  2. I_B = 運算放大器的偏置電流
• 新電路造成的均方根雜訊 (RMS noise) 應比資料擷取設備的均方根雜訊低
  
  
  
  其中：
  e _n = 運算放大器輸入電壓的雜訊密度 (noise density)
  i _n = 運算放大器電流的雜訊密度
  f = 儀器輸入頻寬 (Hz)
  
• 抵消電壓飄移 (voltage drift) < 1 LSB/^oC

另外還有這些考量：

• (非必要) R_o = 50 Ω；連接到電纜等容性負載 (capacitive load) 時，R_o 必須足夠，才能維持運算放大器穩定運作。
• (非必要) 可放置一個電容器到訊源的正極引線與負極引線中，以降低源阻抗構成的電阻雜訊。

備註：上述只是建議，並非規則。對運算放大器的要求最終取決於個人的誤差範圍 (error budget)。

當 Burr-Brown OPA2277、NI 6052E 與一個源阻抗為 1MW 的傳感器一同使用時，NI 6052E 擷取資料時增益為 0.5，提供的輸入範圍為 -10 至 +10V。使用此配置，1 LSB 等同305 mV。

我們可以用 來計算增加了的雜訊，其中：

新系統的雜訊可以上述方程式計算。請注意，若為差動量測，運算放大器的雜訊需計算兩次：

因放置了電壓隨耦器而增加了的系統雜訊可透過增加節點來抵消，節點的數目為直流量測 (DC measurement) 時的平均數，取其平均數有助提升量測的相對精確度。

計算新系統的直流規格：

計算 R_sI_B：

對於此配置，偏置偏移電壓超過 6 LSBs。不過，此運算放大器的偏移電壓飄移為 0.25 mV/ oC，也代表若系統溫度相對地保持不變，直流偏移誤差 (DC offset error) 便能從系統中校準。計算單位增益偏移誤差 (Unity Gain Offset Error, UGOE)。若為差動量測，謹記將 RsIB 乘以二：

其中 V_os = 運算放大器輸入偏移電壓 = 25 mV。

要決定系統的新絕對精確度，UGOE 必須加上 NI 6052E 的絕對精確度。你可以用絕對精確度決定量測的最大誤差。於+/- 10V 的環境下，NI 6052E 的絕對精確度為 4.747 mV。

取決於個別系統需求，量測系統可能不會接受增加誤差。

以高取樣率掃描多個通道時，應注意每個通道的訊源阻抗及整定時間。若源阻抗太高，積存在資料擷取設備輸入電容的電荷便不能再進行訊號取樣時消散。這樣一來，訊號看來會緊跟著上個通道的訊號。在此情況下，必須降低取樣率與源阻抗。若取樣率不能降低，則可以使用電壓隨耦器 (單位增益緩衝器) 來降低訊號的源阻抗。將電壓隨耦器放置到量測系統時， 應謹慎決定誤差的容許範圍，以及選擇資料擷取設備元件及輸入配置的精確度。進行多通道取樣時，只要情況許可，應盡量將源阻抗保持在 1 kW 以下。