Усилитель с истинным выходным сигналом земли и аналого-цифровым преобразованием

Я хочу усилить сигнал 0–20 мВ от датчика до 0–2,048 В , чтобы подать его на АЦП (с опорным напряжением 2,048 В ). После я буду вводить цифровой сигнал в микроконтроллер. Мне нужно иметь возможность обнаруживать изменение сигнала 0-20 мВ с точностью до 5 мкВ. Таким образом, после усиления до 0-2,048 В (с коэффициентом усиления 102 ) требуется точность 0,5 мВ . Сигнал моего датчика меняется очень медленно, и мне нужно делать только одну выборку/измерение в секунду.

Я выбрал этот инструментальный усилитель для усиления (дифференциально) AD8237 : Даташит

Теперь, чтобы получить истинный размах выходного сигнала земли (поскольку изначально сигнал находится в диапазоне 0-20 мВ), я хочу использовать LM7705 : Даташит

Запитав положительный контакт питания AD8237 напряжением 3,3 В, а контакт GND с помощью этого небольшого отрицательного заземления от LM7705, я смогу получить выходное колебание до нуля вольт (таким образом, используйте весь диапазон моего АЦП). Создается впечатление, что генератор отрицательного смещения LM7705 создан именно для этой цели. Я попытался проверить эту идею с помощью инструмента Diamond Plot от Analog Devices, и все оказалось в ожидаемом и допустимом диапазоне: Нажмите, чтобы просмотреть мою конфигурацию.

Кроме того, что касается точности, самой большой проблемой, которую я вижу, является входное смещение 75 мкВ входного усилителя, но я должен иметь возможность скорректировать значение позже в программном обеспечении (калибровка). Видите ли вы проблемы, связанные с небольшим отрицательным заземлением для этого инструментального усилителя? В даташите ничего против не нашел. (К контакту ref я бы подключил обычную землю 0 В). Это нормально?

Далее я выбрал этот 18-битный АЦП ( MCP3422 ): Даташит

Также подключил бы его к 3,3 В и подключил бы выход усилителя непосредственно к этому АЦП (несимметричному). Он имеет встроенное опорное напряжение 2,048 В.

Могу ли я подключить выход усилителя напрямую к этому АЦП? Видите ли вы большие проблемы с этим подходом или АЦП и его точностью (чтобы я мог выполнить мои указанные минимальные требования)?

Я ценю каждую подсказку/отзыв/помощь, которую я получаю от вас, спасибо!

В каком диапазоне температур вы будете использовать InAmp?
@Andyaka: Он будет использоваться в схеме, расположенной в неотапливаемом ящике/комнате. Таким образом, в течение всего года температура может варьироваться от -5°C до 40°C.
Входное напряжение смещения на AD8237 дрейфует со скоростью 0,3 мкВ на градус Цельсия, поэтому вы можете увидеть дрейф на входе до эквивалента 13,5 мкВ в этом температурном диапазоне.
@Andyaka: Спасибо, что указали на это. Я думаю, что указанная темп. диапазон действительно должен быть наихудшим случаем (возможно, будет намного меньше). Если я возьму макс. темп. дрейф, скажем, 15 мкВ, это стоило бы мне 3 шагов чтения/разрешения (в самом худшем случае). Я выбрал этот INA, потому что он имеет очень низкий дрейф/ошибку усиления и принимает мое очень низкое синфазное напряжение (может даже опускаться ниже 0 вольт). Пока я не нашел другого INA, отвечающего всем этим требованиям. Видите ли вы дополнительные проблемы, кроме temp. дрейф в моем подходе? Любые мысли о LM7705 или АЦП? Спасибо! :)
7705 кажется крутым и нет, я не видел никаких других проблем, кроме вашей фиксации на достижении точно полной шкалы с 20 мВ на входе; не делайте этого, потому что ошибки усиления и смещения в АЦП сведут вас на нет.
@Andyaka: Хорошо, так что вы предлагаете мне просто использовать усиление около 100 (чтобы достичь максимум 2 В после усиления) и оставить остальное в качестве буфера для смещения / ошибки, которую я могу компенсировать позже? Таким образом, смещение и ошибки, которые также усиливаются, не приведут к обрезанию моего сигнала, так как усиленный сигнал будет выше опорного напряжения АЦП, если я зафиксирую свой коэффициент усиления ровно на 2,048 В, я правильно вас понял? Глядя на таблицы данных предлагаемых IN-AMP и АЦП, вы видите проблемы с прямым однотактным подключением выхода INA к входу АЦП? Я не уверен в этом. Спасибо!
Не только немного уменьшите верхний уровень, но и область около 0 вольт - я знаю, что это немного расстраивает тележку с яблоками, но ваш АЦП, вероятно, не гарантирует, что вход работает вплоть до 0 вольт. Я обычно оставляю 50 мВ сверху и снизу, но это будет с сигналом среднего диапазона 0 вольт; у вас есть сигнал, который предположительно может быть на уровне 0 вольт, исходящий от InAmp.
Какова ваша интерференционная среда? Насколько чистым будет VDD? Если вы не поставите фильтр полосы пропускания перед АЦП, у вас будет около 1 милливольта случайного шума PP в АЦП.
@Andyaka: Хорошо, спасибо за вклад! Да, проблема в том, что мой сигнал включает в себя и ноль вольт. В спецификациях предлагаемого АЦП я не могу найти ничего, что говорит о проблемах/фактах по этому поводу. То, как вы указали на эту потенциальную проблему, звучит для меня так, будто это всего лишь предосторожность, которую вы практикуете, но мой АЦП может по-прежнему хорошо работать так, как я планирую его использовать (до нуля вольт), верно? Так что, может быть, стоит попробовать и посмотреть, обнулится ли АЦП? Это известная проблема с АЦП? Как я предполагаю, они отображают цифровые значения в соответствии с v_ref, и они начинаются с двоичного «0» и нулевого аналогового votls?
@Andyaka: Не могли бы вы быстро взглянуть на входное сопротивление предлагаемого АЦП ( ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22088c.pdf ) и сказать мне, может ли это перегрузить мой IN-Amp ( Analog.com /media/en/technical-documentation/data-sheets/… ), если я подключу выход INA напрямую к входу АЦП (несимметричный)? Не слишком ли низкое входное сопротивление АЦП, что может вызвать проблемы при использовании INA? Был бы очень признателен за ответ от вас :)
|З| составляет 2,5 МОм / усиление PGA, поэтому вам нужно определить, какое усиление PGA у вас есть.
PGA = 1 (единичное усиление), так как я использую свой инструментальный усилитель для установки точного усиления, поэтому я не собираюсь использовать усиление на стороне АЦП.

Ответы (1)

Я прогнал эту сигнальную цепочку через Signal Chain Explorer; вам нужен сильный фильтр перед АЦП [см. примечания в конце о дальнейшем улучшении SNR]

введите описание изображения здесь

Без RC-фильтра LowPass значение SignalNoiseRatio падает с 78 дБ до 58 дБ из-за случайного шума от инструментального усилителя. Я предположил, что плотность шума составляет 70 нановольт/ртГц.

И если я включу различные помехи (кнопка Gargoyles вверху справа), SNR также упадет до 57 дБ; доминирующим источником помех является (по умолчанию) ближайший импульсный стабилизатор, расположенный всего в 1 см от вашей сигнальной цепи и перебрасывающий трассировку печатной платы от LPF в АЦП.

Вот текстовое представление 4 горгулий с использованием значений по умолчанию из 4 (редактируемых) таблиц, которые определяют источники помех {для EFI и HFI скорость нарастания является основным свойством, вызывающим помехи; плюс расстояние}

введите описание изображения здесь

Обратите внимание на RC LPF прямо перед АЦП. В части симуляции Gargoyles используется механическое понимание инструмента SCE, где по умолчанию трассировка печатной платы представляет собой трассу 10 мм с двумя переходными отверстиями диаметром 2 мм и шириной трассы 1 мм и высотой 1,5 мм (1/16 дюйма) над обратной стороной. Трассировка заземления ( или плоскость). Площадь дорожки является уязвимой для электрических полей. Высота (1,5 мм) и длина (14 мм) определяют ОБЛАСТЬ ПЕТЛИ, которая является уязвимой областью для магнитных полей.

Я выбрал 1500 Ом и 1 мкФ для создания фильтра нижних частот 100 Гц. По умолчанию конденсатор емкостью 1 мкФ находится на расстоянии 14 мм от входного контакта АЦП. Это расстояние является основной жертвой магнитного поля импульсного источника питания.

Я предлагаю: (1) поместить конденсатор 1 мкФ прямо на входной контакт АЦП. (2) не располагайте импульсные источники питания рядом с дорожкой печатной платы LPF+ADC. (3) имейте в виду, что помехи в трассе датчика/операционного усилителя могут быть настолько сильными, что операционный усилитель становится нелинейным, и вы получаете неожиданные ошибки.

Имейте в виду, что АЦП потребляет некоторый входной ток, поскольку входной конденсатор выборки заряжается до вашего входного напряжения (макс. 2,048 В). Этот средний ток вызовет падение напряжения на резисторе 1500 Ом.

Кстати, этот инструмент можно бесплатно загрузить с сайта: robustcircuitdesign.com.

Вот погрешность амплитуды (включен только ФНЧ); обратите внимание, что этап операционного усилителя и этап АЦП не выбраны.

введите описание изображения здесь

Ошибка (только LPF; LPF имеет F3dB 100 Гц) составляет 0,0004 дБ, где дБ для Voltage_ratio составляет 12% на дБ. Ошибка составляет примерно 12% * 0,0004 или около 50 частей на миллион, или 1/20 000.

Усиление операционного усилителя (нажмите на каскад операционного усилителя, затем нажмите «Показать отклик открытия/закрытия») снижается на 0,1% при частоте 1 Гц. Вы обеспокоены этим или точностью установления?

Обратите внимание, что SNR (с 4 источниками помех, активированными кнопкой «Гаргульи» с глобальным действием) составляет 57 дБ.

Опять же, с отключенными горгульями и включенным фильтром 100 Гц, а также включенными операционным усилителем и АЦП, предсказанное отношение сигнал-шум составляет 78 дБ, а ENOB — 12,7 бит.

Просто держите любой импульсный источник питания как минимум на 20 дБ (в 10 раз больше), чем стандартное расстояние в 10 мм, используемое в таблице HFI Gargoyle; нажмите «HFI», чтобы увидеть эту таблицу; иметь не менее 100 мм (4 дюйма) от любого импульсного источника питания и вашей сигнальной цепи, по крайней мере, от дорожки печатной платы LPF до АЦП.

=================

редактировать, чтобы представить более эффективный фильтр нижних частот

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

На втором снимке экрана в текстовом окне представлена ​​сводка мощности источников помех:

HFI, индуцированный магнитным полем, составляет 930 микровольт.

Источник питания PSI, поступающий на выводы усилителя (и АЦП) VDD, на частотах 60 и 120 Гц, с умеренным отклонением PowerSupplyRejection 80 дБ на более низких частотах и ​​с 10 мВ, составляет 100 мкВ .

EFI, индуцированный электрическим полем, представляет собой всплески на линии электропередачи (кабель питания проходит через область сигнальной цепи), составляет 37 мкВ .

Наконец, интерференция заземления предполагает, что 0,1 ампер мусора на частоте 10 МГц (для импульсного источника питания) протекает через 2 квадрата плоскости, что составляет 12 микровольт .

На первом снимке экрана посмотрите на правую сторону и прочтите вычисленное стандартное отклонение квантования как 2,2 мкВ. Это пол АЦП.

Таким образом, следующая по важности горгулья — это ПУЛЬСАЦИЯ ПИТАНИЯ, предположительно равная 10 милливольтам. Добавьте резисторы (10 Ом, чтобы вызвать лишь небольшое падение постоянного напряжения) и большой конденсатор, чтобы уменьшить пульсации 120/60 Гц на 6 или 10 дБ. Для этого требуется F3dB? 30 Гц, что требует постоянной времени 1/(6,28 * 30) или около 5 миллисекунд. Таким образом, подойдет конденсатор на 470 мкФ. АЦП также может нуждаться в фильтрации VDD. Прочтите этот техпаспорт.

Большое спасибо за это! Что касается вашего вопроса выше: я планирую использовать этот LDO для малошумящего VDD: Analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/… . Как вы думаете, этот LDO в порядке или лучше быть чем-то. вот так (сверхнизкий уровень шума)?: Analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/… . Хорошо, поэтому я действительно должен добавить фильтр. Какую частоту среза/фильтра вы бы предложили? Подойдет ли для этого приложения простой фильтр нижних частот 1-го порядка с частотой 10 Гц? Будет ли фильтр также решать проблему «Горгулий» или это другая проблема?
@ Генри Я ответил на твои вопросы?
Большое спасибо! Есть ли особая причина, по которой вы используете RC-фильтр вместо LC? Я запустил ваш фильтр в симуляции спайса, и он ослабляет сигналы, начинающиеся> 1 Гц. Так задумано или мне нужно стремиться немного выше? Что касается ENOB: Могу ли я достичь 12-13 ENOB с моей предполагаемой идеей? (Поскольку в ваших симуляциях я вижу значения до 9,28 ENOB)?
@cap Генри Просто держите любой импульсный источник питания на расстоянии не менее 4 дюймов от конечной трассы печатной платы, которая проходит от LPF 100 Гц до АЦП. Лучший способ - поместить крышку 1 мкФ прямо рядом с АЦП и заземлить крышку на AnalogGround. АЦП.
Это действительно отличный ответ! Означает ли это, что, удерживая любой импульсный источник питания (LDO, входной усилитель и т. д.) вдали от трассы сигнала, я все равно могу получить ~12 ENOB в качестве конечного результата в разводке? (как на вашей картинке, где вы включили горгулий, есть только ~ 9-10 ENOB. Я предполагаю, что это было из-за того, что не было достаточного расстояния между переключаемыми источниками и конечной трассой сигнала?). В качестве фильтра вы выбрали фильтр нижних частот 100 Гц, потому что все переключаемые источники имеют частоту 1 МГц <, поэтому достаточно фильтра нижних частот 100 Гц, я правильно понял?
Импульсные источники питания (и черные кирпичи) — это смерть для систем с высоким отношением сигнал/шум. Один из способов проверки — сделать 1-дюймовую квадратную петлю на конце коаксиального кабеля, затем провести этот 1-дюймовый квадрат вокруг (некоторого) выбранного коммутатора и измерить уровень мусора на вашем осциллографе. Затем уменьшите измеренный уровень мусора до области петли по умолчанию, используемой в Signal Chain Explorer (14 мм в длину и 1,5 мм в высоту). Для некоторых генераторов мусора магнитного поля поле падает как 1/расстояние; для других генераторов мусора поле падает как 1/Расстояние^2. Математика в SCE HFI Gargoyle предполагает простую модель проводной петли и 1/расстояние.
Вы можете понизить RC lpf до 10 Гц, 20 Гц или 5 Гц, если хотите. Вы получите более медленную настройку при более низкой пропускной способности. При 1 непере на постоянную времени и 6,28 TAU на герц фильтр 5 Гц обеспечивает 5 * 6,28 = 31,5 тау, или 31,5 * 8,6 дБ = 250+ дБ точности установления, если подождать одну секунду после изменения выходного сигнала датчика.
Спасибо, очень ценная информация. Итак, если я правильно понял, можно достичь ~ 12 ENOB с полной конфигурацией в реальности (датчик, входной усилитель, фильтр, АЦП и горгульи включены), если я держу достаточное расстояние между сигнальной дорожкой и импульсным источником питания? (расстояние зависит от расстояния падения "мусорного поля" конкретного генератора)?
@ Генри Вы также должны держать MCU подальше и не подносить рядом линии MCU (Sleep, Mode, Select). Эти пары довольно хорошо летают по воздуху, как EFI. Установите инструмент и проверьте базу данных EFI (просто нажмите «EFI»). Ваша следующая горгулья — это пульсации VDD PowerSupply, предполагаемые ТОЛЬКО 60/120 Гц. Установите 10 Ом и 470 мкФ в трассах VDD, ЕСЛИ у вас более 1 милливольта пульсации.
Очень отличный и информативный ответ, спасибо! HFI, индуцированный магнитным полем, составляет 930 микровольт, это много! Итак, очень важно сохранять как можно большее расстояние между компонентами и сигнальными линиями, как я понимаю... Как вы упомянули, мне нужен фильтр между INA и АЦП. Но не добавит ли предлагаемый RC-фильтр слишком большое сопротивление источника для АЦП? В таблице данных АЦП ( ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22088c.pdf ), стр. 14, говорится: импеданс источника должен быть в идеале равен нулю. Все вышеперечисленное добавляет ошибок. Как бы мне минимизировать это? Может быть, вместо RC-фильтра использовать LC-фильтр?
Генри. Если входной RC-фильтр АЦП достаточно быстр, то на резисторе будет очень низкая погрешность постоянного тока. 13 января я вычислил точность установления 250 дБ, если используется фильтр 5 Гц. Что касается фильтров L+C, L необходимо демпфировать с помощью параллельного резистора; кроме того, на частоте 5 Гц L будет огромным и очень восприимчивым к внешним магнитным полям; поэтому я предпочитаю использовать маленькую букву R вместо большой и дорогой буквы L.
Генри Как мне обновить ответ? В этих комментариях мы обнаружили множество других деталей и методологий с низким содержанием мусора. Как лучше организовать эти детали?
Да, это стало очень интересно, я уже прочитал этот ответ раз 10 и все еще узнаю что-то. каждый раз новый! Я создал еще один вопрос, когда начал исследовать тему фильтрации и того, что мне нужно в моем случае, здесь: electronics.stackexchange.com/questions/418009/… Может быть, мы можем добавить ответы, связанные с фильтром, из принятого ответа здесь (ваше последнее редактирование) и его комментарии к этому вопросу, чтобы хорошо систематизировать знания? Большое спасибо за то, что поделились своими прекрасными знаниями!
И последнее замечание: поскольку я изначально упустил из виду, что АЦП также имеет sinc-фильтр с приличным откликом (см. стр. 10, рис. 2-11 в таблице данных: ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22088c.pdf ). может позаботиться об удалении большей части шума переключения INA. И, держась подальше от неприятных шумных импульсных источников питания, можно также достичь 12 ENOB без дополнительного RC-фильтра между INA и АЦП? Как я предполагаю, вы не имитировали внутренний фильтр АЦП (а горгулья / механическое осознание, похоже, вызывают наибольший шум).
Мне было интересно: не могли бы вы сказать, что это хорошая идея, чтобы разместить переходные барьеры в дополнение к тому, чтобы мои источники питания находились как можно дальше от трассы сигнала к АЦП? Переходные отверстия могут закорачивать радиопомехи/магнитные поля на землю?
Любые мысли об использовании заборов переходных отверстий (на землю) для предотвращения помех на сигнальной линии?
Усилитель с истинным выходным сигналом земли и аналого-цифровым преобразованием
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v