Измерения высоковольтных АЦП с использованием PIC и OpAmp

Мне нужно сделать устройство для измерения напряжения последовательного набора конденсаторов, которое будет достигать максимум 100 В (только постоянный ток). На схеме я опустил несколько из стека, схемы балансировки и устройства поддержки PIC (xtal, развязка), для простоты донесения моей точки зрения. Каждая крышка будет иметь максимальное напряжение 5 В (если вам интересно, это суперконденсаторы собственного производства!).

Поскольку динамика довольно быстрая, мое обычное решение Arduino просто недостаточно быстрое, поэтому я вернулся к старым временам PIC, к которым я не прикасался много лет! В идеале 1-10 мс для всех 20 каналов.

Я предполагаю, что для измерения высоких напряжений будет достаточно простого резистивного делителя, однако он должен иметь как можно более высокий импеданс, чтобы не искажать показания и требовать резисторов большой мощности. Это ставит импеданс намного выше максимального значения 10 кОм для PIC, который я использую (PIC18F25K83). PIC работает на 5V.

Текущее мышление, используя это как вдохновение, состоит в том, чтобы использовать операционный усилитель для буферизации вывода. Раньше не использовались операционные усилители.

Есть ли что-то явно очевидное, что заставило бы появиться волшебный дым, или есть лучшее решение?

РЕДАКТИРОВАТЬ: изображение обрезано по запросу. Количественно, как быстро.

Схема

Добро пожаловать на EE.SE. Можете ли вы обрезать свое изображение, чтобы оно было несколько разборчиво в колонке шириной 640 на веб-странице? (Его можно просмотреть в масштабе 1:1, щелкнув по нему, но свободного места все еще слишком много.)
Готово, мой плохой! Это лучше? Я забываю, что иногда сижу на экране 4k, размер не соответствует размеру, так что я к этому привык!
кстати, что для вас "довольно быстро"? Старый добрый PIC не известен сверхбыстрым АЦП или множеством линий АЦП (которые здесь могут быть очень полезны!)
Что ж, у Arduino примерно миллисекунды на чтение АЦП, и я ожидаю, что у меня будет 20 каналов. Это слишком медленно. У меня есть PIC, установленный на макетной плате, считывающий 18 каналов, мигающий светодиод и откачивающий UART (в конечном итоге это будет I2C), и он выполняет все каналы с 8000 показаний на канал (в среднем) порядка 1 мс. Это больше, что я ищу.
хорошо, можете ли вы указать цифры того, что для вас «достаточно быстро»; «миллисекунды» действительно медленные, и это не проблема быть быстрее, но насколько быстро будет достаточно быстро?
и, я правильно понимаю, у вас есть стек из 21 конденсатора / 20 напряжений для измерения?
Нажмите Enter слишком рано, см. выше, имеет ли это смысл?
Да, у нас есть суперконденсаторы собственного производства, которые могут работать с напряжением 8 В. Мы хотим сделать последовательный стек из 20 до максимального 100 В, поэтому их недостаточно.
Действительно, можете ли вы ответить, что было бы "достаточно быстро". Теперь мы знаем, что слишком медленно, и теперь мы знаем, что быстрее, чем нужно, но что будет «достаточно быстро»?
Предпочтительно максимум 1-10 мс для всех каналов, если предположить, что это вообще выполнимо. PIC на макетной плате, безусловно, способен на это, и я могу получить быстродействующие операционные усилители.
Я бы на всякий случай поставил несколько стабилитронов на положительные входы операционного усилителя. Кроме этого, это выглядит хорошо.
ну тогда 10 мс для всех каналов "достаточно быстро".
В качестве предложения за 0,02 доллара добавьте площадки для небольших керамических конденсаторов параллельно с R2, R4, R6 и т. д.

Ответы (3)

Вы можете поставить защитный диод на вход операционного усилителя, высокое напряжение может легко сжечь операционный усилитель, если каким-то образом пересечет барьер резистора. Соблюдайте осторожность при прокладке, иногда детали со сквозными отверстиями могут быть выгодны, чтобы избежать дугового разряда и обеспечить разделение, поскольку путь утечки и зазор для 100 В составляют 0,71 мм.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Ага, и, кстати, можно недорого купить массивы защитных диодов благодаря необходимости быстрых внешних шин данных :)
Это здорово, большое спасибо. Вызовет ли это какие-либо проблемы, если PIC и OPAMP находятся на одной и той же шине 5 В?
Нет, поскольку сопротивление 200 кОм ограничит ток до 50 мкВ, любой источник питания должен выдержать это напряжение. Если у вас была дуга, это может быть проблемой, или короткое замыкание, поэтому будьте осторожны.
Хороший вопрос, и хорошо документированный. Вы можете прочитать это: meta.stackexchange.com/questions/126180/…
Потрясающе, ура. Отмечено на "спасибо". Моя репутация недостаточно высока, чтобы проголосовать, поэтому просто хотел быть вежливым!

AD8067 в значительной степени не подходит для этого приложения. При работе от одного источника питания 5 вольт диапазон входного синфазного напряжения составляет от 0 до 2 вольт, а это означает, что вам придется радикально переосмыслить значения резисторов, если вы продаете этот конкретный чип.

Ad8067 также довольно прожорлив с точки зрения мощности. Потребляемый ток составляет 6,4 мА на операционный усилитель, так что все это складывается. Это потому, что это довольно быстрое устройство, и это тратится впустую в вашем приложении.

Спасибо за информацию. TBH Я просто добавил этот чип, потому что он был первым, который я увидел на Eagle, и забыл удалить тег. Мне больше нравится четырехъядерный операционный усилитель 150 МГц, рассчитанный на 5 В, но я забыл номер детали (оставил его на работе, упс).

Я, вероятно, был бы ленив и избегал создания (и, возможно, калибровки) буферов АЦП с 20 повторителями напряжения.

TI продает 10-канальную микросхему MUX + PGA, которая в значительной степени предназначена для такого рода приложений. PGA116 или PGA117. Требуется не более 5 нА входного тока даже для активного входа, подключенного к программируемому усилителю. Итак, допустим, у вас есть последовательное сопротивление 0,5 МОм, это будет падение напряжения 5 ⋅ 10 5 Ом ⋅ 5 ⋅ 10 − 9 А "=" 25 ⋅ 10 − 4 В "=" 2,5 мВ .

В диапазоне, скажем, 2 В, это ошибка 2,5 ⋅ 10 − 3 2 "=" 0,125 % ; ваш PIC имеет 10-битный АЦП, поэтому его квантование АЦП в любом случае позволяет лишь немного улучшить разрешение. Если это слишком много, то уменьшение импеданса делителя напряжения до 300 кОм уже приведет к тому, что погрешность окажется ниже разрешения.

Таким образом, вы замените 20 операционных усилителей + 2 PIC на 2 PGA116/117 + 1 PIC. Вы можете легко управлять их переключением с помощью SPI с этого PIC!

Чтобы уменьшить вероятность высокоскоростных колебаний / радиопомех, Ник правильно рекомендовал небольшие (от 1 до 4,7 нФ или около того) керамические конденсаторы параллельно нижней стороне ваших делителей напряжения. Дешевый! Используйте каждый канал как можно реже — это поддерживает заряд этих конденсаторов и еще больше снижает влияние тока смещения.

Используйте массивы диодов TVS. Они могут быть дешевыми (и с низкими паразитными эффектами), например, в качестве высокоскоростных/сверхскоростных защитных диодов USB.

Измерения высоковольтных АЦП с использованием PIC и OpAmp
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v