Lettura di tensioni di piccolo segnale

Se hai lavorato con sensori che hanno uscite di tensione molto basse, come celle di carico o altri ponti di Wheatstone o trasformatori di corrente, saprai che hai bisogno di un amplificatore molto preciso e di un convertitore analogico-digitale (ADC) ad alta risoluzione per utilizzare le loro misurazioni. La maggior parte dei miei circuiti stampati tende ad avere vincoli di dimensione molto stretti, quindi integrare più componenti non è sempre la soluzione ideale. Tuttavia, utilizzando un ADC ad alta risoluzione con un amplificatore a guadagno programmabile (PGA), puoi risparmiare notevole spazio sul circuito stampato e migliorare anche la coerenza delle letture su un lotto di schede.

Un estensimetro in una cella di carico potrebbe avere un'uscita a pieno range di soli 1mV per volt, che se alimentato a 5 volt ti darà un segnale di 0-5mV per l'intero range del sensore. Questo fa sì che una cella di carico da 100kg dia un segnale di 50μV per chilogrammo, che non fornirebbe dati utilizzabili senza un significativo amplificamento. Anche con un amplificamento di 128x, il segnale a pieno carico sarebbe solo di 0,64 volt, che ti darebbe una risoluzione lontana dall'ideale di 2kg con un ADC a 8 bit e 3,3 volt. Tuttavia, la maggior parte dei moderni controller ARM ha un ADC da 10 o 12 bit, che ti darebbe una risoluzione sulla cella di carico di circa 125 grammi. Questo è ancora piuttosto scarso, quindi possiamo guardare agli ADC esterni che offrono un numero di bit molto più alto per poter ottenere una risoluzione soddisfacente. Utilizzando un ADC a 24 bit con un amplificatore da 128 V/V, la nostra cella di carico da 100kg può ora leggere i milligrammi. Questa alta risoluzione consente misurazioni precise e diventa critica per applicazioni industriali di precisione che potrebbero utilizzare celle di carico con un range a piena scala di molteplici tonnellate (ad esempio: gru, ponti di pesatura) o sensori di corrente che devono gestire potenzialmente migliaia di ampere (ad esempio: edifici per uffici, fabbriche). La risoluzione extra consente anche di filtrare il segnale per garantire una lettura stabile e un alto grado di fiducia nella lettura.

Amplificatore a Guadagno Programmabile

Gli ADC con amplificatore a guadagno programmabile sono un po' più costosi di un ADC regolare della stessa risoluzione ma si sono dimostrati ben valere la spesa extra nei miei progetti. Per non parlare del fatto che una soluzione che utilizza un ADC con un op-amp di precisione e condensatori e resistori di precisione spesso equivale al costo dell'unità integrata, e quindi non offre alcun vero vantaggio. La soluzione PGA integrata offre anche uno spazio sul circuito stampato significativamente ridotto, così come un'amplificazione del segnale molto più consistente da scheda a scheda. Con il guadagno facilmente programmabile, rende anche molto facile passare a diverse opzioni di sensori, offrendoti il supporto alla piena risoluzione per una gamma di sensori.

Se stai utilizzando l'ADC del tuo microcontrollore o un altro ADC esterno che manca dell'amplificatore a guadagno programmabile integrato, gli PGA autonomi sono anche facilmente disponibili sul mercato. Il PGA281 di Texas Instruments è una scelta molto popolare con un amplificamento fino a 128 V/V di segnali differenziali o single-ended.

Convertitore Analogico-Digitale

Dall'esempio sopra, si può vedere che il ADC a 12 bit di un buon microcontrollore non è realmente adeguato per tensioni di segnale piccole. Se stai utilizzando qualcosa come l'ATmega che è popolare negli Arduinos, hai solo un ADC a 8 bit, che è ancora più limitante. È quindi necessario un ADC esterno per poter leggere tali piccole tensioni con abbastanza precisione da fornire dati utilizzabili.

Sebbene un alto numero di bit sia importante, non è l'unico fattore importante. Quando si trattano piccole tensioni, il tuo ADC deve avere una bassa deriva, una tensione di riferimento molto stabile e una larghezza di banda sufficiente per catturare il tuo segnale. Un alto numero di bit su un ADC instabile o in deriva ti darà comunque letture inaccurate.

Tendo a rivolgermi al Texas Instruments ADS1220 per leggere trasformatori di corrente o estensimetri perché è molto stabile e incredibilmente preciso. È un ADC a 24 bit, ma con il filtro interno, ti dà una risoluzione utilizzabile effettiva di 20 bit. Detto questo, ecco come ho collegato il mio ADS1220 in uno dei miei progetti:

L'implementazione del circuito è abbastanza critica. Ho un filtro pi che utilizza una perlina di ferrite anziché un induttore sugli ingressi, con un filtraggio molto basilare sugli ingressi della cella di carico come si può vedere qui:

Questo circuito è stato utilizzato per misurare dati per una squadra olimpica canadese utilizzando una cella di carico Omega LCM302 da 2000 Newton. Confrontando i dati registrati con gli stessi impulsi registrati su piastre di forza atletiche di alta gamma, i dati dell'ADS1220 erano in grado di leggere impulsi di breve durata con maggiore precisione, poiché effettuava letture a 960 campioni al secondo, e i risultati avevano meno jitter del segnale e deriva man mano che la temperatura cambiava.

L'amplificatore di guadagno programmabile e il fatto di alimentare la cella di carico direttamente dall'ADC ha reso facile passare a una cella di carico con un intervallo di scala piena più piccolo semplicemente cambiando l'amplificazione tramite configurazione o quando veniva rilevato un sovraccarico. Questo rende l'ADS1220 a 4 ingressi molto più attraente per le mie applicazioni rispetto al suo fratello a canale singolo leggermente più economico, l'ADS1246.

Ci sono molte altre opzioni sul mercato, tuttavia, e alcune di esse potrebbero essere più adatte alla tua applicazione specifica, quindi perché non esplorare alcune delle opzioni su Octopart guardando attraverso la categoria ADC e cercando ‘PGA’.

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