Схема построения для усиления слабых сигналов датчиков с помощью инструментального усилителя и 24-разрядного АЦП.

Я новичок, когда дело доходит до проектирования схем, и я провел последние несколько недель, изучая эту тему. Теперь я выбрал некоторые микросхемы (инструментальный усилитель и АЦП) и хотел бы построить схему. Однако у меня осталось несколько вопросов, с которыми, надеюсь, мне помогут опытные люди.

Датчики :
У меня есть несколько таких пиранометров CMP10: Техническое описание пиранометров CMP10
. Эти пассивные датчики имеют два выхода: HI (+) и LO (-)
. Вот некоторые характеристики из таблицы выше:

Раздел 6.1 из таблицы данных CMP10

Эти датчики измеряют солнечное излучение и в зависимости от излучения выдают сигнал в диапазоне от 0 мВ до 20 мВ.

Я хотел бы прочитать его с помощью микроконтроллера, поэтому мне нужно хорошее усиление. Чтобы получить показания, столь же точные, как и датчики, мне нужно было бы получить разрешение 5 мкВ на шаг. Я знаю, что это, вероятно, совсем не тривиально и требует довольно хорошего дизайна печатной платы, чтобы приблизиться к этому.

Я подсчитал, что для перехода к шагам 5 мкВ мне нужен как минимум АЦП с разрядностью 19 бит, работающий при опорном напряжении 2,048 В (это дает примерно 3,906 мкВ шагов/разрешение).

После моих исследований я узнал, что 19-разрядность — это в значительной степени то, что вы можете ожидать от нестандартной конструкции ПК (если вообще ожидаете), поэтому я выбрал АЦП с опорным напряжением 2,048 В (потому что при переходе к опорному напряжению 5 В я потребуется не менее 20 бит для достижения шага/разрешения 4,768 мкВ).

АЦП:
Итак, я выбрал этот АЦП ADS1219 (24-разрядный): Техническое описание АЦП ADS1219
Мне нужен интерфейс I2C, который предлагает эта ИС. Также этот АЦП имеет внутреннее опорное напряжение 2,048 В и внутренний генератор с малым дрейфом.

Инструментальный усилитель:
Чтобы должным образом усилить сигналы, которые я буду подавать на АЦП выше, я выбрал этот инструментальный усилитель AD8227: Техническое описание инструментального усилителя ADS8227.
Чтобы получить сигнал от датчиков (первоначально от 0 мВ до 20 мВ), усиленный для опорного напряжения 2,048 V АЦП, я бы использовал усиление x 102 (резистор усиления 825 Ом) для усиления сигнала 20 мВ до 2,04 В.

Я хочу подключить несколько таких INAmps к АЦП (поскольку АЦП является 4-канальным).

Теперь я могу подключить пиранометры к INA, как показано на рисунке ниже (для дифференциальных измерений):

Датчики, подключенные к инструментальному усилителю

Полная схема будет выглядеть так:

Блок-схема полной схемы

Некоторые вопросы у меня есть:

  • Я использую Rail-to-Rail INA и снабжаю его только 2,048 В (используя LDO) для усиления напряжения до правильного значения, чтобы АЦП (с опорным напряжением 2,048 В) мог соответствующим образом отображать аналоговые значения. Хотя это и рельсовый INA, не думаете ли вы, что могут быть проблемы с пропущенными значениями, потому что он не будет полностью переключаться на рельс на выходе?
  • На странице 21 таблицы данных INA говорится, что должен быть указан текущий обратный путь. На схеме я отметил созданный мной обратный путь между датчиками и INA синим цветом. Могу ли я сделать что-то подобное, когда рассматриваю возможность дифференциального измерения сигналов датчика? Если нет, то как я могу обеспечить обратный путь в этом случае?
  • Хорошо ли работать с опорным напряжением 2,048 В в моем случае или вы бы выбрали 5 В? Поскольку АЦП имеет внутреннее опорное напряжение 2,048 В и может питаться от напряжения до 5,5 В, это не должно быть проблемой? Видите ли вы какие-либо другие проблемы с точностью здесь?
  • Выбранные ИС кажутся довольно точными. Видите ли вы огромные проблемы в этом случае, связанные с точностью/разрешением 18-19 бит, с предоставленной системой/идеей?
  • На странице 1 таблицы данных АЦП есть схема устройства. Видно, что прямо перед АЦП есть внутренние буферы сигналов, так что, думаю, не должно быть проблем с подключением выхода INA непосредственно к аналоговому входу АЦП?


Спасибо!
Это много текста, но я все же надеюсь, что некоторые из вас, опытные люди, могут дать мне несколько советов по моим вопросам или если направление, в котором движется этот проект, совершенно неверно. Я высоко ценю любой вклад от вас!

Я разместил еще один вопрос об усилении с использованием только микросхемы АЦП и ее внутреннего PGA здесь:
Вопрос: Как использовать внутренний PGA микросхемы АЦП.

Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат . Любые сделанные выводы должны быть отредактированы обратно в вопрос и/или ответы.

Ответы (4)

  1. Выход не будет полностью качаться на рельсах - при умеренной нагрузке он будет находиться в пределах 0,2 вольта от 0 вольт и положительного напряжения питания, и это звучит для меня как проблема, потому что это не гарантирует, что это будет лучше, чем это реалистично ( прочтите стр. 6 технического паспорта "размах выходного сигнала").
  2. Здесь нет проблем - ваши сигналы связаны по постоянному току и относятся к 0 вольт.
  1. Хорошо ли работать с опорным напряжением 2,048 В в моем случае или вы бы выбрали 5 В?

Выберите более высокое напряжение, например 5 вольт, тогда, по крайней мере, вы можете гарантировать, что выходное напряжение может колебаться до 2,048 вольт.

  1. Выбранные ИС кажутся довольно точными. Видите ли вы огромные проблемы в этом случае, связанные с точностью/разрешением 18-19 бит, с предоставленной системой/идеей?

Да, я вижу проблемы - входное напряжение смещения указано в диапазоне от 100 до 200 мкВ, и это ошибка, добавленная к вашему входному сигналу, которую вы, похоже, не ожидаете.

  1. Я не вижу здесь проблемы.

Если точность является проблемой, я не вижу никаких причин, по которым вы не должны использовать стандартный операционный усилитель с напряжением питания от сети к шине, но с отличными характеристиками входного напряжения смещения, такими как ADA4528 . Он имеет входное напряжение смещения 2,5 мкВ и может колебать свой выход в пределах около 10 мВ от положительной шины и земли. Вам понадобятся два резистора для настройки коэффициента усиления, потому что он будет работать как обычная схема неинвертирующего операционного усилителя.

АЦП, к которому он подключается, имеет входной ток не более 5 нА и входное напряжение смещения 4 мкВ. Почему бы просто не подать его напрямую на АЦП?
@Linkyyy, это кажется хорошей идеей, почему бы не сделать это самому?
Ну, кто-то опередил меня. Но в любом случае, я думал, что что-то упускаю из виду, или могут быть какие-то другие проблемы с подачей его непосредственно на АЦП (я думаю, есть причина, по которой существуют драйверы АЦП), поскольку вы все еще хотели, чтобы усилитель оставался между ними :)
В АЦП не смотрел, так как видел проблемы с интерфейсной микросхемой.
@Linkyyy: Еще раз я хотел бы спросить о вашей идее: давайте возьмем этот АЦП с внутренним PGA с коэффициентом усиления до x128: ti.com/lit/ds/sbas751b/sbas751b.pdf . Если я подаю сигнал датчика напрямую (сигнал датчика между 0-20 мВ), я мог бы использовать усиление x64 и получить макс. усиленный сигнал 1,28В вот такой. Затем он переходит от PGA к 24-битному АЦП и оцифровывается с использованием его внутреннего опорного напряжения 2,048 В. Могу ли я сделать это, чтобы получить желаемую точность 0,5 мВ без использования инструментального усилителя? Просто напрямую подавать его на АЦП с внутренним PGA? Какие проблемы вы видите в этом случае?
@Andyaka: Вы поддерживаете идею прямой подачи на АЦП. Видите ли вы какие-либо потенциальные проблемы с этим? Использование внутреннего PGA для усиления и отсутствие необходимости в дополнительном инструментальном усилителе?
Я бы рассмотрел это, но это может оказаться неосуществимым из-за входных импедансов и токов, требуемых АЦП по вашему выбору. Это зависит от других вариантов.
@Andyaka: хорошо, спасибо. Я обнаружил деталь в таблице данных этого АЦП, в которой я не уверен: ti.com/lit/ds/symlink/ads122c04.pdf на странице 4, Аналоговые входы, V (AINx). Я хотел бы использовать коэффициент усиления 64 и мой макс. дифференциальный аналоговый вход датчика составляет 20 мВ (=V_INMAX). Помещая это в уравнение, я получаю 0,35 В. Означает ли это, что когда я подключаю свои датчики дифференциально к этому АЦП, который выдает сигнал в диапазоне 0-20 мВ, он не будет работать, потому что мне нужен сигнал амплитудой не менее 0,35 В? Или я неправильно понимаю эту спецификацию? Надеюсь, вы поможете мне в этом :)
Эта цифра в основном говорит вам, какое выходное синфазное напряжение постоянного тока должно быть на вашем дифференциальном сигнале. В идеале это должно быть около 50% ваших аналоговых линий питания на АЦП.

Вам может не понадобиться внешнее усиление, если вы используете 24-битный аналого-цифровой преобразователь.

В идеальном мире 24-битный аналого-цифровой преобразователь с опорным напряжением 2,048 В постоянного тока имеет разрешение около 122 нановольт. Это намного лучше, чем желаемое разрешение в 5 микровольт.

Мы не живем в идеальном мире, но если вы позаботитесь о компоновке печатной платы и входной фильтрации, вы сможете получить желаемое разрешение, просто подав датчик непосредственно на аналого-цифровой преобразователь.

Спасибо! Итак, как указывали люди, я думаю, мне нужно только разрешение 500 мкВ на шаг (поскольку после усиления сигнала датчика я должен оставаться в пределах размера шага 500 мкВ). Как вы указали на возможность подключения датчиков непосредственно к АЦП. Видите ли вы проблемы с этим 16-битным АЦП (ADS1114)? ti.com/lit/ds/symlink/ads1114.pdf У него есть внутренний PGA, который я мог бы использовать. Тем не менее, я не уверен, как использовать этот PGA, так как они не упоминают никаких шагов усиления в техническом описании, только: «PGA предлагает входные диапазоны от ± 256 мВ до ± 6,144 В, что позволяет проводить точные измерения больших и слабых сигналов. .'
Хорошо, кажется, что я не могу использовать PGA ADS1114 без внешнего усиления, так как входной сигнал должен иметь макс. Амплитуда 256 мВ (наименьший FSR, который я могу установить для PGA). Это означает, что при подаче сигнала датчика макс. 20 мВ напрямую к этому АЦП с настройкой 256 мВ FSR, я бы потратил слишком много доступной «полосы пропускания», верно? Или я ошибаюсь насчет использования этого PGA?
Как насчет этой идеи? Возьмем этот АЦП с внутренним PGA с коэффициентом усиления до x128: ti.com/lit/ds/sbas751b/sbas751b.pdf. Если я подаю сигнал датчика напрямую (сигнал датчика между 0-20 мВ), я мог бы использовать усиление x64 и получить макс. усиленный сигнал 1,28В вот такой. Затем он переходит от PGA к 24-битному АЦП и оцифровывается с использованием его внутреннего опорного напряжения 2,048 В. Могу ли я сделать это, чтобы получить желаемую точность 0,5 мВ без использования инструментального усилителя? Просто напрямую подавать его на АЦП с внутренним PGA? Какие проблемы вы видите в этом случае?

В качестве альтернативы сделайте считывание напряжения сквозным, связанным по переменному току, и тогда вы сможете гораздо меньше беспокоиться о смещениях АЦП и операционного усилителя.

Показан пример схемы (детали намеренно опущены). В основном идея состоит в том, что вы смещаете выходное напряжение настолько, чтобы АЦП никогда не считывал ноль. Затем для каждого измерения микропроцессор переводит переключатель в замкнутое положение, дает время установиться и считывает АЦП. Затем он переводит переключатель в положение пиранометра, дает время успокоиться и считывает показания (предположительно более высокие). Затем он вычитает смещение из «реального» показания. Это стирает все напряжения смещения, за исключением тех, которые находятся слева от переключателя (т. е. кабеля и пиранометра).

Усиление, шум и другие ошибки по-прежнему остаются на ваше усмотрение. Фактический выигрыш, о котором я здесь говорю, может быть не тем, что вам нужно — вам нужно перепроверить. То же самое с фактическим смещением (100 мВ, если я не ошибаюсь, но я не вынимал свой калькулятор для проверки). Вам по-прежнему необходимо выбрать АЦП с достойными INL и DNL, ​​но вам не нужно беспокоиться о смещении (которое может быть серьезным в монолитном АЦП). Это должно позволить вам использовать монолитный 14- или 16-разрядный АЦП, не беспокоясь о смещении АЦП или операционного усилителя (значительно) или дрейфе смещения с температурой (вообще, за исключением того, чтобы убедиться, что все остается в пределах диапазона). Это может даже позволить вам втиснуть измерения во встроенный АЦП микроконтроллера, но я бы не стал этого делать, если бы мне действительно не хватило места на плате.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Это отличная идея, и я обязательно учту ее для будущих проектов, так что спасибо! Однако для этого проекта я не могу и очень хотел бы избежать использования в системе другой схемы/компонента, управляемого микроконтроллером.
Это известно как коррелированная двойная выборка (попробуйте выполнить поиск в Google по этой фразе) и обычно используется, в частности, в датчиках изображения. Вы также можете попробовать использовать усилители со стабилизированным прерывателем .
Для этой цели предназначены «Операционные усилители с нулевым дрейфом». вам не нужно время переключения.
Да, я знаю об операционных усилителях с прерывателем. Они не корректируют смещение АЦП. Вот почему я представил эту идею. С небольшим количеством программного обеспечения, аналоговым переключателем за 0,50 доллара и одним дополнительным выводом на вашем микропроцессоре, который вы стабилизируете с помощью прерывателя (или пары переменного тока, или коррелированной двойной выборки, на ваш выбор), оба ваших дешевых операционного усилителя (я выбрал LM358 специально в этой схеме) ** и ** ваш дешевый АЦП. Если бы ОП спросил, как сделать пиранометр менее восприимчивым к дрейфу, я бы предложил крышку с приводом от двигателя для стабилизации всей цепи сигнала.
Входной переключатель хорошо заботится о смещении операционного усилителя и его дрейфе (разумеется, так же, как о смещении и дрейфе АЦП), а также о шуме 1/f операционного усилителя. Даже паршивые операционные усилители можно заставить работать в этом приложении, но тогда пиранометры не совсем дешевы, так что для того, чтобы сделать это дешевым, нужно далеко зайти. Если бы я стремился к классике старой школы, пиранометр мог бы напрямую управлять входом преобразователя V/I на входе дискретного двух- или многотактного АЦП. 18-20 бит требуют умеренной осторожности при выполнении, но если вы можете получить встроенный АЦП вовремя, сделайте это, конечно.

Я вижу, вы уже приняли ответ, но я могу предложить простое решение с диапазоном почти 100 дБ до 100 клюкс или любого другого пика, который вам нужен. Насколько я помню, это Panasonic AMS302(?). http://www.digikey.com/product-detail/en/panasonic-electronic-components/AMS302/255-2655-ND/2125641

Это «датчик света», которому требуется только фиксированное напряжение Vreg 5 В более или менее в соответствии со спецификацией, низкий ток и выходное сопротивление R для определения диапазона. Он имеет скорректированную по CIE интенсивность для глаз с пластиковым фильтром для измерения интенсивности дневного света, как в камерах. он поставляется только в 3-контактном 5-миллиметровом прозрачном корпусе с радиальными выводами. (например, объемные светодиоды Tom)

Поскольку это логарифмический выход, подойдет любой 12-битный АЦП или лучше. Они очень точны и недороги. Зачем делать вещи трудным путем?

Схема построения для усиления слабых сигналов датчиков с помощью инструментального усилителя и 24-разрядного АЦП.
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v