Lecture de tensions de petits signaux

Si vous avez travaillé avec des capteurs qui ont des sorties de tension très faibles, comme des cellules de charge ou d'autres ponts de Wheatstone ou transformateurs de courant, vous savez que vous avez besoin d'un amplificateur très précis et d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) à grand nombre de bits pour utiliser leurs mesures. La plupart de mes cartes électroniques ont tendance à avoir des contraintes de taille très strictes, donc intégrer plus de composants n'est pas toujours une solution idéale. Cependant, en utilisant un CAN à grand nombre de bits avec un amplificateur à gain programmable (PGA), vous pouvez économiser de l'espace significatif sur la carte et également améliorer la cohérence des lectures à travers un lot de cartes.

Un jauge de contrainte dans une cellule de charge pourrait avoir une sortie de gamme complète de juste 1mV par volt, qui, si alimentée à 5 volts, vous donnera un signal de 0-5mV pour la gamme complète du capteur. Cela fait qu'une cellule de charge de 100kg donne un signal de 50μV par kilogramme, ce qui ne fournirait aucune donnée utilisable sans une amplification significative. Même avec une amplification de 128x, le signal à pleine charge serait juste de 0,64 volts, ce qui vous donnerait une résolution loin d'être idéale de 2kg avec un CAN de 8 bits à 3,3 volts. Cependant, la plupart des contrôleurs ARM modernes ont un CAN de 10 ou 12 bits, ce qui vous donnerait une résolution sur la cellule de charge d'environ 125 grammes. C'est encore plutôt médiocre, donc nous pouvons regarder les CAN externes qui offrent un nombre de bits beaucoup plus élevé pour pouvoir obtenir une résolution satisfaisante. En utilisant un CAN de 24 bits avec un amplificateur de 128 V/V, notre cellule de charge de 100kg peut maintenant lire des milligrammes. Cette haute résolution permet des mesures précises et devient critique pour les applications industrielles de précision qui pourraient utiliser des cellules de charge avec une gamme complète de plusieurs tonnes (par exemple : grues, ponts-bascules) ou des capteurs de courant qui doivent gérer potentiellement des milliers d'ampères (par exemple : bâtiments de bureaux, usines). La résolution supplémentaire permet également de filtrer le signal pour assurer une lecture stable et un haut degré de confiance dans la lecture.

Amplificateur à Gain Programmable

Les CAN avec amplificateur à gain programmable sont un peu plus chers qu'un CAN régulier de la même résolution mais se sont avérés valoir l'investissement supplémentaire dans mes projets. Sans oublier, une solution utilisant un CAN avec un op-amp de précision et des condensateurs et résistances de précision égalera souvent le coût de l'unité intégrée, et n'offre donc aucun avantage réel. La solution PGA intégrée offre également un espace de carte considérablement réduit, ainsi qu'une amplification du signal beaucoup plus cohérente d'une carte à l'autre. Avec le gain étant facilement programmable, cela rend également le passage à différentes options de capteurs très facile, vous donnant un support de résolution complet pour une gamme de capteurs.

Si vous utilisez le CAN de votre microcontrôleur ou un autre CAN externe qui manque de l'amplificateur à gain programmable intégré, les PGA autonomes sont également facilement disponibles sur le marché. Le PGA281 de Texas Instruments est un choix très populaire avec jusqu'à 128 V/V d'amplification de signaux différentiels ou à terminaison unique.

Convertisseur Analogique-Numérique

À partir de l'exemple ci-dessus, vous pouvez voir qu'un CAN 12 bits dans un bon microcontrôleur ne suffit vraiment pas pour les petites tensions de signal. Si vous utilisez quelque chose comme l'ATmega qui est populaire dans les Arduinos, vous n'avez qu'un CAN 8 bits, ce qui est encore plus limitant. Un CAN externe est donc nécessaire pour pouvoir lire de telles petites tensions avec suffisamment de précision pour fournir des données utilisables.

Bien que le nombre élevé de bits soit important, ce n'est pas le seul facteur important. Lorsque vous traitez de petites tensions, votre CAN doit avoir une faible dérive, une tension de référence très stable et une bande passante suffisante pour capturer votre signal. Un nombre élevé de bits sur un CAN instable ou dérivant vous donnera toujours des lectures inexactes.

Je tends à me tourner vers le Texas Instruments ADS1220 pour lire les transformateurs de courant ou les jauges de contrainte parce qu'il est très stable et incroyablement précis. C'est un CAN 24 bits, mais avec le filtre interne, il vous donne une résolution utilisable effective de 20 bits. Cela dit, voici comment j'ai connecté mon ADS1220 dans l'un de mes projets :

L'implémentation du circuit est assez critique. J'ai un filtre pi qui utilise une perle de ferrite plutôt qu'une inductance sur les entrées, avec un filtrage très basique sur les entrées de la cellule de charge comme on peut le voir ici :

Ce circuit a été utilisé pour mesurer des données pour une équipe olympique canadienne en utilisant une cellule de charge Omega LCM302 de 2000 Newton. Lors de la comparaison des données enregistrées avec les mêmes impulsions enregistrées sur des plaques de force athlétiques haut de gamme, les données de l'ADS1220 ont pu lire des impulsions de courte durée avec beaucoup plus de précision, car il prenait des lectures à 960 échantillons par seconde, et les résultats avaient moins de jitter de signal et de dérive à mesure que la température changeait.

L'amplificateur à gain programmable et le fait que la cellule de charge soit alimentée directement depuis le CAN ont rendu le passage à une cellule de charge avec une plage de pleine échelle plus petite facile en changeant simplement l'amplification par configuration ou lorsqu'une surcharge était détectée. Cela rend l'ADS1220 à 4 entrées beaucoup plus attrayant pour mes applications que son frère à canal unique légèrement moins cher, l'ADS1246.

Il existe cependant de nombreuses autres options sur le marché, et certaines d'entre elles peuvent être mieux adaptées à votre application spécifique, alors pourquoi ne pas explorer certaines des options sur Octopart en parcourant la catégorie ADC et en recherchant ‘PGA’.

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