Lectura de Voltajes de Señales Pequeñas

Si has trabajado con sensores que tienen salidas de voltaje muy bajas, como células de carga u otros puentes de Wheatstone o transformadores de corriente, sabrás que necesitas un amplificador muy preciso y un convertidor de analógico a digital (ADC) de alto conteo de bits para utilizar sus mediciones. La mayoría de mis placas de circuito tienden a tener restricciones de tamaño muy ajustadas, por lo que integrar más componentes no siempre es una solución ideal. Sin embargo, al usar un ADC de alto conteo de bits con un amplificador de ganancia programable (PGA), puedes ahorrar espacio significativo en la placa y también mejorar la consistencia de las lecturas en un lote de placas.

Una galga extensiométrica en una célula de carga podría tener un rango de salida completo de solo 1mV por voltio, que si se opera a 5 voltios te dará una señal de 0-5mV para el rango completo del sensor. Esto hace que una célula de carga de 100kg dé una señal de 50μV por kilogramo, lo que no proporcionaría datos utilizables sin una amplificación significativa. Incluso con una amplificación de 128x, la señal a carga completa sería de solo 0.64 voltios, lo que te daría una resolución lejos de ser ideal de 2kg con un ADC de 8 bits y 3.3 voltios. Sin embargo, la mayoría de los controladores ARM modernos tienen un ADC de 10 o 12 bits, lo que te daría una resolución en la célula de carga de aproximadamente 125 gramos. Esto sigue siendo bastante pobre, por lo que podemos mirar ADCs externos que ofrecen un conteo de bits mucho mayor para poder obtener una resolución satisfactoria. Utilizando un ADC de 24 bits con un amplificador de 128 V/V, nuestra célula de carga de 100kg ahora puede leer miligramos. Esta alta resolución permite mediciones precisas y se vuelve crítica para aplicaciones industriales de precisión que podrían estar usando células de carga con un rango de escala completa de varias toneladas (por ejemplo: grúas, básculas puente) o sensores de corriente que tienen que lidiar con potencialmente miles de amperios (por ejemplo: edificios de oficinas, fábricas). La resolución extra también permite filtrar la señal para asegurar una lectura estable y un alto grado de confianza en la lectura.

Amplificador de Ganancia Programable

Los ADCs con amplificador de ganancia programable son un poco más caros que un ADC regular de la misma resolución, pero han demostrado valer la pena el gasto extra en mis proyectos. Sin mencionar, una solución que utiliza un ADC con un op-amp de precisión y capacitores y resistencias de precisión a menudo igualará el costo de la unidad integrada, y por lo tanto no ofrece ninguna ventaja real. La solución integrada de PGA también ofrece un espacio en la placa significativamente reducido, así como una amplificación de señal mucho más consistente de placa a placa. Con la ganancia siendo fácilmente programable, también hace que cambiar a diferentes opciones de sensores sea muy fácil, dándote soporte de resolución completa para una gama de sensores.

Si estás usando el ADC de tu microcontrolador u otro ADC externo que carece del amplificador de ganancia programable integrado, los PGA independientes también están disponibles en el mercado. El PGA281 de Texas Instruments es una opción muy popular con hasta 128 V/V de amplificación de señales diferenciales o de un solo extremo.

Convertidor de Analógico a Digital

Del ejemplo anterior, puedes ver que el ADC de 12 bits en un buen microcontrolador realmente no es suficiente para voltajes de señales pequeñas. Si estás usando algo como el ATmega que es popular en Arduinos, solo tienes un ADC de 8 bits, lo cual es aún más limitante. Por lo tanto, se requiere un ADC externo para poder leer tales voltajes pequeños con suficiente precisión para proporcionar datos utilizables.

Aunque el alto número de bits es importante, no es el único factor importante. Al tratar con voltajes pequeños, tu ADC necesita tener baja deriva, contar con un voltaje de referencia muy estable y tener suficiente ancho de banda para capturar tu señal. Un alto número de bits en un ADC inestable o con deriva todavía te dará lecturas inexactas.

Tiendo a recurrir al Texas Instruments ADS1220 para leer transformadores de corriente o galgas extensiométricas porque es muy estable y fantásticamente preciso. Es un ADC de 24 bits, pero con el filtro interno, te da una resolución usable efectiva de 20 bits. Dicho esto, así es como conecté mi ADS1220 en uno de mis proyectos:

La implementación del circuito es bastante crítica. Tengo un filtro pi que usa un núcleo de ferrita en lugar de un inductor en las entradas, con un filtrado muy básico en las entradas de la célula de carga como se puede ver aquí:

Este circuito se utilizó para medir datos para un equipo olímpico canadiense usando una célula de carga Omega LCM302 de 2000 Newton. Al comparar los datos registrados con los mismos impulsos registrados en placas de fuerza atléticas de primera línea, los datos del ADS1220 pudieron leer impulsos de corta duración con mucha más precisión, ya que tomaba lecturas a 960 muestras por segundo, y los resultados tenían menos jitter de señal y deriva a medida que la temperatura cambiaba.

El amplificador de ganancia programable y tener la célula de carga alimentada directamente desde el ADC hizo que cambiar a una célula de carga con un rango de escala completa más pequeño fuera fácil simplemente cambiando la amplificación a través de la configuración o cuando se detectaba una sobrecarga. Esto hace que el ADS1220 de 4 entradas sea mucho más atractivo para mis aplicaciones que su hermano de un solo canal un poco más barato, el ADS1246.

Hay muchas otras opciones en el mercado, sin embargo, y algunas de ellas pueden ser más adecuadas para tu aplicación específica, así que ¿por qué no explorar algunas de las opciones en Octopart mirando a través de la categoría de ADC y buscando ‘PGA’.

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