Đọc Điện Áp Tín Hiệu Nhỏ

Nếu bạn đã từng làm việc với các cảm biến có đầu ra điện áp rất thấp, như các cell tải hoặc các cầu Wheatstone khác hoặc biến áp dòng, bạn sẽ biết rằng bạn cần một bộ khuếch đại chính xác cao và một bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) có số bit cao để sử dụng các phép đo của chúng. Hầu hết các bảng mạch của tôi thường có ràng buộc về kích thước rất chặt chẽ, vì vậy việc tích hợp thêm linh kiện không phải lúc nào cũng là giải pháp lý tưởng. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng một ADC có số bit cao với một bộ khuếch đại có khả năng lập trình (PGA), bạn có thể tiết kiệm đáng kể không gian bảng mạch và cũng cải thiện tính nhất quán của các phép đo trên một lô bảng mạch.

Một cảm biến biến dạng trong một cell tải có thể có một phạm vi đầu ra toàn bộ chỉ là 1mV mỗi volt, nếu chạy ở 5 volt sẽ cho bạn một tín hiệu từ 0-5mV cho toàn bộ phạm vi cảm biến. Điều này khiến cho một cell tải 100kg cho một tín hiệu 50μV mỗi kilogram, điều này sẽ không cung cấp dữ liệu có thể sử dụng được mà không có sự khuếch đại đáng kể. Ngay cả với sự khuếch đại 128x, tín hiệu ở tải đầy đủ sẽ chỉ là 0.64 volt, điều này sẽ cho bạn khoảng cách xa từ lý tưởng là độ phân giải 2kg với một ADC 8-bit 3.3 volt. Tuy nhiên, hầu hết các bộ điều khiển ARM hiện đại có một ADC 10 hoặc 12-bit, điều này sẽ cho bạn một độ phân giải trên cell tải khoảng 125 gram. Điều này vẫn khá kém, vì vậy chúng ta có thể xem xét các ADC bên ngoài cung cấp số bit cao hơn để có thể đạt được độ phân giải thỏa đáng. Sử dụng một ADC 24-bit với một bộ khuếch đại 128 V/V, cell tải 100kg của chúng ta giờ đây có thể đọc được miligram. Độ phân giải cao này cho phép đo lường chính xác và trở nên quan trọng cho các ứng dụng công nghiệp chính xác có thể sử dụng các cell tải với phạm vi toàn dải nhiều tấn (ví dụ: cần cẩu, cầu cân) hoặc cảm biến dòng phải xử lý với hàng nghìn amp (ví dụ: tòa nhà văn phòng, nhà máy). Độ phân giải cao cũng cho phép lọc tín hiệu để đảm bảo đọc ổn định và một mức độ tin cậy cao trong việc đọc.

Bộ Khuếch Đại Có Khả Năng Lập Trình

ADC bộ khuếch đại có khả năng lập trình một chút đắt hơn so với một ADC thông thường cùng độ phân giải nhưng đã chứng minh là xứng đáng với chi phí phát sinh thêm trong các dự án của tôi. Chưa kể, một giải pháp sử dụng một ADC với một op-amp chính xác và tụ điện, điện trở chính xác thường sẽ bằng chi phí của đơn vị tích hợp, và do đó không mang lại lợi ích thực sự. Giải pháp PGA tích hợp cũng cung cấp không gian bảng mạch giảm đáng kể, cũng như sự khuếch đại tín hiệu nhất quán hơn từ bảng mạch này sang bảng mạch khác. Với việc dễ dàng lập trình lại độ khuếch đại, nó cũng làm cho việc chuyển đổi sang các lựa chọn cảm biến khác nhau rất dễ dàng, cung cấp hỗ trợ độ phân giải đầy đủ cho một loạt cảm biến.

Nếu bạn đang sử dụng ADC của vi điều khiển hoặc một ADC bên ngoài khác thiếu bộ khuếch đại có khả năng lập trình tích hợp, các PGA độc lập cũng có sẵn trên thị trường. PGA281 của Texas Instruments là một lựa chọn phổ biến với khả năng khuếch đại lên đến 128 V/V của tín hiệu chênh lệch hoặc đơn.

Bộ Chuyển Đổi Tương Tự Sang Số

Từ ví dụ trên, bạn có thể thấy rằng ADC 12-bit trong một vi điều khiển tốt không thực sự phù hợp cho các tín hiệu điện áp nhỏ. Nếu bạn sử dụng một cái gì đó như ATmega phổ biến trong Arduino, bạn chỉ có ADC 8-bit, còn hạn chế hơn nhiều. Do đó, một ADC bên ngoài là cần thiết để có thể đọc các điện áp nhỏ với đủ độ chính xác để cung cấp dữ liệu có thể sử dụng được.

Trong khi độ phân giải cao là quan trọng, đó không phải là yếu tố duy nhất quan trọng. Khi xử lý với điện áp nhỏ, ADC của bạn cần phải có độ lệch thấp, có điện áp tham chiếu cực kỳ ổn định, và có băng thông đủ để thu được tín hiệu của bạn. Một ADC với độ phân giải cao trên một ADC không ổn định hoặc bị lệch vẫn sẽ cho bạn kết quả không chính xác.

Tôi thường chuyển sang sử dụng Texas Instruments ADS1220 để đọc các biến dòng điện hoặc cảm biến gắng sức vì nó rất ổn định và chính xác tuyệt vời. Đó là một ADC 24-bit, nhưng với bộ lọc nội bộ, nó cho bạn một độ phân giải hữu ích hiệu quả 20 bit. Được nói như vậy, đây là cách tôi kết nối ADS1220 của mình trong một dự án của tôi:

Việc triển khai mạch là khá quan trọng. Tôi có một bộ lọc pi sử dụng hạt ferrite thay vì cuộn cảm trên các đầu vào, với một số bộ lọc cơ bản trên các đầu vào của tế bào tải như bạn có thể thấy ở đây:

Mạch này được sử dụng để đo dữ liệu cho đội Olympic Canada sử dụng tế bào tải Omega LCM302 2000 Newton. Khi so sánh dữ liệu ghi lại với cùng một xung lực được ghi lại trên các bảng lực thể thao hàng đầu, dữ liệu từ ADS1220 có thể đọc các xung lực ngắn hạn chính xác hơn nhiều, vì nó đang lấy mẫu với tốc độ 960 mẫu mỗi giây, và kết quả có ít nhiễu tín hiệu và lệch hơn khi nhiệt độ thay đổi.

Việc sử dụng bộ khuếch đại có khả năng lập trình và việc tế bào tải được cấp điện trực tiếp từ ADC làm cho việc chuyển đổi sang tế bào tải với phạm vi toàn dải nhỏ hơn trở nên dễ dàng chỉ bằng cách thay đổi khuếch đại thông qua cấu hình hoặc khi phát hiện quá tải. Điều này làm cho ADS1220 với 4 đầu vào trở nên hấp dẫn hơn nhiều cho các ứng dụng của tôi so với người anh em đơn kênh giá rẻ hơn một chút, ADS1246.

Có rất nhiều lựa chọn khác trên thị trường, tuy nhiên, và một số trong số chúng có thể phù hợp hơn với ứng dụng cụ thể của bạn, vì vậy tại sao không khám phá một số lựa chọn trên Octopart bằng cách xem qua danh mục ADC và tìm kiếm ‘PGA’.

Chúng tôi hy vọng bạn thấy bài viết này hữu ích! Nếu bạn muốn nhận nội dung như thế này gửi vào hộp thư của mình, đăng ký nhận bản tin hàng tháng của chúng tôi!