Odczytywanie napięć małego sygnału

Jeśli pracowałeś z czujnikami, które mają bardzo niskie napięcia wyjściowe, takimi jak komórki tensometryczne lub inne mostki Wheatstone'a czy transformatory prądowe, wiesz, że potrzebujesz bardzo precyzyjnego wzmacniacza i przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) o wysokiej rozdzielczości, aby wykorzystać ich pomiary. Większość moich płytek obwodów ma bardzo ścisłe ograniczenia rozmiarów, więc integracja większej liczby komponentów nie zawsze jest idealnym rozwiązaniem. Jednak, używając ADC o wysokiej rozdzielczości z programowalnym wzmacniaczem o zmiennym wzmocnieniu (PGA), możesz zaoszczędzić znaczną ilość miejsca na płytce oraz poprawić spójność odczytów w partii płytek.

Tensometr w komórce tensometrycznej może mieć pełny zakres wyjściowy zaledwie 1mV na wolt, co przy zasilaniu 5 woltami da sygnał 0-5mV dla pełnego zakresu czujnika. Oznacza to, że komórka tensometryczna o obciążeniu 100kg da sygnał 50μV na kilogram, co nie dałoby użytecznych danych bez znacznego wzmocnienia. Nawet przy wzmocnieniu 128x, sygnał przy pełnym obciążeniu wynosiłby tylko 0,64 wolta, co dałoby rozdzielczość daleką od ideału, 2kg, przy użyciu 8-bitowego ADC o napięciu 3,3 wolta. Większość nowoczesnych kontrolerów ARM posiada jednak ADC o rozdzielczości 10 lub 12 bitów, co dałoby rozdzielczość na komórce tensometrycznej około 125 gramów. Jest to nadal dość słabe, więc możemy rozważyć zewnętrzne ADC, które oferują znacznie wyższą liczbę bitów, aby móc uzyskać zadowalającą rozdzielczość. Wykorzystując 24-bitowe ADC z wzmacniaczem 128 V/V, nasza komórka tensometryczna o obciążeniu 100kg może teraz czytać miligramy. Ta wysoka rozdzielczość pozwala na precyzyjne pomiary i staje się kluczowa dla precyzyjnych zastosowań przemysłowych, które mogą używać komórek tensometrycznych o pełnym zakresie skali wielu ton (np. dźwigi, wagi mostowe) lub czujników prądowych, które muszą radzić sobie z potencjalnie tysiącami amperów (np. biurowce, fabryki). Dodatkowa rozdzielczość pozwala również na filtrowanie sygnału, aby zapewnić stabilny odczyt i wysoki stopień pewności co do pomiaru.

Programowalny wzmacniacz o zmiennym wzmocnieniu

ADC z programowalnym wzmacniaczem o zmiennym wzmocnieniu są nieco droższe niż zwykłe ADC tej samej rozdzielczości, ale w moich projektach okazały się warte dodatkowych wydatków. Nie wspominając, że rozwiązanie z użyciem ADC z precyzyjnym wzmacniaczem operacyjnym i precyzyjnymi kondensatorami i rezystorami często równa się kosztom zintegrowanej jednostki, a więc nie oferuje żadnej rzeczywistej przewagi. Zintegrowane rozwiązanie PGA oferuje również znacznie zmniejszoną przestrzeń na płytce, jak również znacznie bardziej spójne wzmocnienie sygnału z płytki na płytę. Dzięki łatwej programowalności wzmocnienia, przełączanie na różne opcje czujników jest również bardzo łatwe, dając pełne wsparcie rozdzielczości dla różnych czujników.

Jeśli używasz ADC swojego mikrokontrolera lub innego zewnętrznego ADC, który nie ma zintegrowanego programowalnego wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu, dostępne są również na rynku samodzielne PGA. Bardzo popularnym wyborem jest PGA281 firmy Texas Instruments, oferujący wzmocnienie do 128 V/V sygnałów różnicowych lub jednostronnych.

Przetwornik analogowo-cyfrowy

Z powyższego przykładu można zobaczyć, że 12-bitowy przetwornik ADC w dobrym mikrokontrolerze nie jest wystarczający dla małych napięć sygnałowych. Jeśli używasz czegoś takiego jak ATmega, która jest popularna w Arduino, masz tylko 8-bitowy ADC, co jest jeszcze bardziej ograniczające. Dlatego wymagany jest zewnętrzny przetwornik ADC, aby móc odczytywać takie małe napięcia z wystarczającą precyzją, aby zapewnić użyteczne dane.

Chociaż wysoka liczba bitów jest ważna, to nie jest to jedyny ważny czynnik. Przy obchodzeniu się z małymi napięciami, twój ADC musi charakteryzować się niskim dryftem, mieć bardzo stabilne napięcie odniesienia oraz wystarczającą przepustowość, aby przechwycić twój sygnał. Wysoka liczba bitów na niestabilnym lub dryfującym ADC nadal da ci nieprecyzyjne odczyty.

Zwykle zwracam się do Texas Instruments ADS1220 przy odczycie transformatorów prądowych lub tensometrów, ponieważ jest bardzo stabilny i fantastycznie precyzyjny. To 24-bitowy ADC, ale z wewnętrznym filtrem, daje ci efektywne 20 bitów użytecznej rozdzielczości. Mówiąc to, tak podłączyłem mój ADS1220 w jednym z moich projektów:

Implementacja układu jest dość krytyczna. Mam filtr pi, który używa koralika ferrytowego zamiast dławika na wejściach, z bardzo podstawowym filtrowaniem na wejściach komórki ładunku, jak można zobaczyć tutaj:

Układ ten był używany do pomiaru danych dla kanadyjskiej drużyny olimpijskiej przy użyciu komórki ładunku Omega LCM302 2000 Newton. Porównując zarejestrowane dane do tych samych impulsów zarejestrowanych na najlepszych w swojej klasie płytach siłowych dla lekkoatletów, dane z ADS1220 były w stanie odczytać impulsy krótkotrwałe z większą precyzją, ponieważ dokonywały odczytów z prędkością 960 próbek na sekundę, a wyniki miały mniej jittera sygnału i dryftu w miarę zmiany temperatury.

Programowalny wzmacniacz operacyjny i zasilanie komórki ładunku bezpośrednio z ADC ułatwiło przejście na komórkę ładunku o mniejszym zakresie pełnej skali poprzez zmianę wzmocnienia przez konfigurację lub gdy wykryto przeciążenie. To sprawia, że 4-wejściowy ADS1220 jest znacznie bardziej atrakcyjny dla moich zastosowań niż jego nieco tańszy jednokanałowy odpowiednik, ADS1246.

Na rynku jest jednak wiele innych opcji, które mogą być lepiej dopasowane do twojej konkretnej aplikacji, więc dlaczego nie zerknąć na niektóre z opcji na Octopart, przeglądając kategorię ADC i szukając ‘PGA’.

Mamy nadzieję, że ten artykuł był dla ciebie przydatny! Jeśli chcesz otrzymywać treści takie jak ta prosto do swojej skrzynki odbiorczej, zapisz się na nasz miesięczny newsletter!