Lesen von Kleinsignalspannungen

Wenn Sie mit Sensoren gearbeitet haben, die sehr niedrige Spannungsausgänge haben, wie zum Beispiel Lastzellen oder andere Wheatstone-Brücken oder Stromwandler, wissen Sie, dass Sie einen sehr präzisen Verstärker und einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) mit hoher Bit-Zahl benötigen, um ihre Messungen zu nutzen. Die meisten meiner Schaltungen haben sehr enge Größenbeschränkungen, daher ist die Integration weiterer Komponenten nicht immer eine ideale Lösung. Durch die Verwendung eines ADC mit hoher Bit-Zahl und eines programmierbaren Verstärkers (PGA) können Sie jedoch erheblichen Platz auf der Platine sparen und auch die Konsistenz der Messungen über eine Charge von Platinen verbessern.

Ein Dehnungsmessstreifen in einer Lastzelle könnte einen vollen Ausgangsbereich von nur 1mV pro Volt haben, was bei 5 Volt eine Signal von 0-5mV für den vollen Sensorbereich ergibt. Das macht, dass eine 100kg Lastzelle ein Signal von 50μV pro Kilogramm gibt, was ohne signifikante Verstärkung keine nutzbaren Daten liefern würde. Selbst mit einer 128-fachen Verstärkung wäre das Signal bei voller Last nur 0,64 Volt, was Ihnen bei einem 3,3 Volt 8-Bit ADC eine weit von idealen 2kg Auflösung geben würde. Die meisten modernen ARM-Controller haben jedoch einen 10- oder 12-Bit ADC, was Ihnen eine Auflösung an der Lastzelle von etwa 125 Gramm geben würde. Das ist immer noch ziemlich schlecht, daher können wir uns externe ADCs ansehen, die eine viel höhere Bit-Zahl bieten, um eine zufriedenstellende Auflösung zu erhalten. Durch die Verwendung eines 24-Bit ADC mit einem 128 V/V Verstärker kann unsere 100kg Lastzelle jetzt Milligramm lesen. Diese hohe Auflösung ermöglicht präzise Messungen und wird kritisch für präzise industrielle Anwendungen, die Lastzellen mit einem Vollbereich von mehreren Tonnen verwenden könnten (z.B.: Kräne, Wiegebrücken) oder Stromsensoren, die sich mit potenziell Tausenden von Ampere auseinandersetzen müssen (z.B.: Bürogebäude, Fabriken). Die zusätzliche Auflösung ermöglicht auch die Filterung des Signals, um eine stabile Ablesung und ein hohes Maß an Vertrauen in die Messung zu gewährleisten.

Programmierbarer Verstärker

ADCs mit programmierbarem Verstärker sind etwas teurer als ein regulärer ADC derselben Auflösung, haben sich aber in meinen Projekten als den zusätzlichen Aufwand wert erwiesen. Ganz zu schweigen davon, dass eine Lösung mit einem ADC, einem Präzisions-Operationsverstärker und Präzisionskondensatoren und -widerständen oft die Kosten der integrierten Einheit erreicht und daher keinen wirklichen Vorteil bietet. Die integrierte PGA-Lösung bietet auch deutlich reduzierten Platzbedarf auf der Platine sowie viel konsistentere Signalverstärkung von Platine zu Platine. Da der Verstärkungsfaktor leicht programmierbar ist, macht es auch den Wechsel zu verschiedenen Sensorenoptionen sehr einfach und bietet Ihnen volle Auflösungsunterstützung für eine Reihe von Sensoren.

Wenn Sie den ADC Ihres Mikrocontrollers oder einen anderen externen ADC verwenden, der keinen integrierten programmierbaren Verstärker hat, sind auch eigenständige PGAs auf dem Markt leicht verfügbar. Texas Instruments’ PGA281 ist eine sehr beliebte Wahl mit bis zu 128 V/V Verstärkung von differentiellen oder einseitigen Signalen.

Analog-Digital-Umsetzer

Aus dem obigen Beispiel können Sie sehen, dass der 12-Bit-ADC in einem guten Mikrocontroller für kleine Signalspannungen wirklich nicht ausreicht. Wenn Sie etwas wie den ATmega verwenden, der in Arduinos beliebt ist, haben Sie nur einen 8-Bit-ADC, der noch viel einschränkender ist. Ein externer ADC ist daher erforderlich, um solch kleine Spannungen mit genügend Präzision lesen zu können, um nutzbare Daten zu liefern.

Obwohl eine hohe Bitanzahl wichtig ist, ist sie nicht der einzige wichtige Faktor. Wenn Sie mit kleinen Spannungen arbeiten, muss Ihr ADC eine geringe Drift aufweisen, eine sehr stabile Referenzspannung haben und über ausreichende Bandbreite verfügen, um Ihr Signal erfassen zu können. Ein hoher Bitwert bei einem instabilen oder driftenden ADC wird Ihnen immer noch ungenaue Messwerte liefern.

Ich wende mich oft an den Texas Instruments ADS1220 für das Lesen von Stromwandlern oder Dehnungsmessstreifen, weil er sehr stabil und fantastisch präzise ist. Es ist ein 24-Bit-ADC, aber mit dem internen Filter bietet er Ihnen eine effektive Auflösung von 20 nutzbaren Bits. Das heißt, so habe ich meinen ADS1220 in einem meiner Projekte verbunden:

Die Implementierung der Schaltung ist ziemlich kritisch. Ich habe ein Pi-Filter, das eine Ferritperle anstelle einer Induktivität an den Eingängen verwendet, mit einigen sehr grundlegenden Filtern an den Eingängen der Lastzelle, wie hier zu sehen ist:

Diese Schaltung wurde verwendet, um Daten für ein kanadisches Olympiateam mit einer Omega LCM302 2000 Newton Lastzelle zu messen. Beim Vergleich der aufgezeichneten Daten mit den gleichen Impulsen, die auf hochwertigen Athletik-Kraftplatten aufgezeichnet wurden, konnte der ADS1220 Daten kurzer Dauer viel präziser lesen, da er mit 960 Proben pro Sekunde Messungen durchführte, und die Ergebnisse hatten weniger Signalzittern und Drift, als sich die Temperatur änderte.

Der programmierbare Verstärker und die direkte Stromversorgung der Lastzelle vom ADC machten den Wechsel zu einer Lastzelle mit einem kleineren Vollbereich einfach, indem einfach die Verstärkung durch Konfiguration oder bei Erkennung einer Überlastung geändert wurde. Das macht den 4-Eingangs-ADS1220 für meine Anwendungen viel attraktiver als sein etwas günstigerer Ein-Kanal-Bruder, der ADS1246.

Es gibt jedoch viele andere Optionen auf dem Markt, und einige davon könnten besser für Ihre spezifische Anwendung geeignet sein, also warum nicht einige der Optionen auf Octopart erkunden, indem Sie in der ADC-Kategorie suchen und nach ‘PGA’ suchen.

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