Чтение малых сигнальных напряжений

Если вы работали с датчиками, которые имеют очень низкие выходные напряжения, такими как тензодатчики или другие мосты Уитстона или трансформаторы тока, вы знаете, что вам нужен очень точный усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с высоким разрешением, чтобы использовать их измерения. Большинство моих печатных плат имеют очень строгие ограничения по размеру, поэтому интеграция дополнительных компонентов не всегда является идеальным решением. Однако, используя АЦП с высоким разрешением с программируемым усилителем (PGA), вы можете значительно сэкономить место на плате и также улучшить согласованность показаний по партии плат.

Тензодатчик в тензометрическом датчике может иметь полный диапазон выходного сигнала всего 1 мВ на вольт, который при работе на 5 вольт даст вам сигнал 0-5 мВ для полного диапазона датчика. Это делает датчик нагрузки на 100 кг с сигналом 50 мкВ на килограмм, который не даст использовать данные без значительного усиления. Даже с усилением в 128 раз, сигнал при полной нагрузке будет всего 0,64 вольта, что даст вам разрешение далеко не идеальных 2 кг с 8-битным АЦП на 3,3 вольта. Однако, большинство современных контроллеров ARM имеют 10 или 12-битный АЦП, который даст вам разрешение на датчике нагрузки около 125 граммов. Это все еще довольно плохо, поэтому мы можем рассмотреть внешние АЦП, которые предлагают гораздо более высокое разрешение, чтобы получить удовлетворительное разрешение. Используя 24-битный АЦП с усилителем 128 В/В, наш датчик нагрузки на 100 кг теперь может считывать миллиграммы. Это высокое разрешение позволяет проводить точные измерения и становится критически важным для точных промышленных приложений, которые могут использовать датчики нагрузки с полным диапазоном в несколько тонн (например: краны, весовые мосты) или датчики тока, которым приходится иметь дело с потенциально тысячами ампер (например: офисные здания, заводы). Дополнительное разрешение также позволяет фильтровать сигнал, чтобы обеспечить стабильное чтение и высокую степень доверия к показаниям.

Программируемый усилитель

АЦП с программируемым усилителем немного дороже обычного АЦП того же разрешения, но в моих проектах они оказались вполне оправданными дополнительными расходами. Не говоря уже о том, что решение с использованием АЦП с точным операционным усилителем и точными конденсаторами и резисторами часто равноценно стоимости интегрированного блока, и, следовательно, не предлагает никаких реальных преимуществ. Интегрированное решение с PGA также значительно сокращает занимаемое место на плате, а также обеспечивает гораздо более согласованное усиление сигнала от платы к плате. С легкостью программируемым усилением также легко переключаться на различные варианты датчиков, обеспечивая полную поддержку разрешения для ряда датчиков.

Если вы используете АЦП вашего микроконтроллера или другой внешний АЦП, который не имеет интегрированного программируемого усилителя, на рынке также доступны отдельные PGA. PGA281 от Texas Instruments является очень популярным выбором с усилением до 128 В/В дифференциальных или однополярных сигналов.

Аналого-цифровой преобразователь

Из приведенного выше примера видно, что 12-битный АЦП в хорошем микроконтроллере не справляется с малыми напряжениями сигнала. Если вы используете что-то вроде ATmega, которая популярна в Arduino, у вас есть только 8-битный АЦП, что еще более ограничивает возможности. Поэтому для чтения таких малых напряжений с достаточной точностью, чтобы получить пригодные данные, требуется внешний АЦП.

Хотя важно иметь высокое разрешение по битам, это не единственный важный фактор. При работе с малыми напряжениями ваш АЦП должен иметь низкую дрейфовость, очень стабильное опорное напряжение и достаточную полосу пропускания для захвата вашего сигнала. Высокое разрешение на нестабильном или дрейфующем АЦП все равно даст вам неточные показания.

Я склоняюсь к использованию ADS1220 от Texas Instruments для чтения токовых трансформаторов или датчиков деформации, потому что он очень стабилен и фантастически точен. Это 24-битный АЦП, но с внутренним фильтром он дает вам эффективные 20 бит разрешения. Сказав это, вот как я подключил мой ADS1220 в одном из моих проектов:

Реализация схемы довольно критична. У меня есть фильтр Пи, который использует ферритовый бус на входах, с некоторой очень базовой фильтрацией на входах датчика нагрузки, как видно здесь:

Эта схема использовалась для измерения данных для канадской олимпийской команды с использованием датчика нагрузки Omega LCM302 на 2000 Ньютонов. При сравнении записанных данных с теми же импульсами, записанными на топовых атлетических силовых платформах, данные ADS1220 могли считывать импульсы короткой длительности гораздо точнее, так как производились чтения со скоростью 960 выборок в секунду, и результаты имели меньше дрожания сигнала и дрейфа при изменении температуры.

Программируемый усилитель усиления и питание датчика нагрузки непосредственно от АЦП упростили переход на датчик нагрузки с меньшим полным диапазоном за счет простого изменения усиления через конфигурацию или при обнаружении перегрузки. Это делает 4-входной ADS1220 гораздо более привлекательным для моих приложений, чем его немного более дешевый одноканальный собрат, ADS1246.

На рынке есть множество других вариантов, и некоторые из них могут лучше подходить для вашего конкретного приложения, так почему бы не изучить некоторые из вариантов на Octopart, просмотрев категорию АЦП и искать ‘PGA’.

Мы надеемся, что вы нашли эту статью полезной! Если вы хотите получать подобный контент на свой почтовый ящик, подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку!