На склад поступили жидко-кристаллические индикаторы и дисплеи от KSE

Усилитель, АЦП, I2C, микроконтроллер и методы подавления помех

Новичок
 
Регистрация: 02.12.2010
Сообщений: 50
Репутация: 17
7 1
0 0
 
21.06.2015 17:29 #1
Анонс:
  • Измеритель без калибровок;
  • Измеритель без подстроечных сопротивлений;
  • Измеритель с высоким входным импедансом;
  • Однополярное питание;
  • Двуполярный сигнал на входе;
  • АЦП не менее 16 бит;
  • Простая программная реализация интерфейса I2C в режиме Mаster-Slave;
  • Микроконтроллер;
  • Борьба с помехами методом медианной фильтрации;
  • Исходники для AVR-Studio;

Поставим задачу.

Имеется двуполярный сигнал от источника с высоким внутренним сопротивлением. Необходимо построить схематехнику так, чтобы ни одного подстроечного сопротивления, ни одной калибровки бы не требовалось. Таким источником, например, может быть pH электрод с внутренним сопротивлением доли гигаом и разнополярным сигналом в диапазоне ±250 мВ.
(см. http://keklab.ru/articles/3-2010-10-...8-phmeter.html ).

Задача не решается «в лоб». Внутренний усилитель АЦП, как правило, имеет малый импеданс. Значит надо усилитель на вход по технологии CMOS. Это во-первых. Далее раз усилитель, то чем его питать? Двуполярное питание? Не хотелось бы… А как же ±250 мВ на входе? Это означает создание смещения, а это означает зависимость от точности питания, от точности сопротивлений, организующих смещение, даже при использовании источников опорного напряжения. Вот калибровки и потянутся… Это во-вторых.

Решение определилось в создании искусственной средней точки. Проведя поиск, нашлась даже специальная микросхема TLE2425, которая минимизирует колебания искусственной средней точки. А эти колебания возможны, когда токи потребления отдельных узлов «гуляют». Вот здесь об этом:
(см. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/ldo/linps_4_6.htm)
Но в представленном решении оказалось все проще. Пусть себе гуляет. Я имею ввиду не кошку, а искусственную среднюю точку. Она организована может быть совершенно не симметрично относительно питания 3.3V, совершенно не точными сопротивлениями. Главное, чтобы суммарный ток через Rg1 и Rg2 был бы существенно выше потребления усилителя и АЦП, они единственные потребители, которые зависят от средней точки. Почему не важна стабильность? Да, потому, что средняя точка заведена на “-” внутреннего усилителя АЦП и входной сигнал тоже на неё опирается. Вот если бы минус этого АЦП сидел бы на земле, тогда точность средней точки относительно земли имела бы важное значение.

И ещё два замечания относительно всей конструкции. Если диапазон входного сигнала ±250 мВ, то средняя точка должна быть относительно земли выше 250 мВ. Пусть она будет 1 вольт, тогда диапазон относительно земли будет от -750мВ до 1250мВ, что вписывается и в верхнее ограничение до 3.3 вольт. И последний приятный факт. Точность питания в 3.3 вольта совсем не обязательна, как известно, многие современные операционные усилители к этому относятся «спокойно», если схемотехника не привязывается к питанию для каких-то других целей. Наша цель – отсутствие подстроек и калибровок выполнена. С этим разобрались…

Остальное, дабы не писать много букв вторично здесь...
Оценка
Инженеры КОМПЭЛ провели сравнительное тестирование аккумуляторов EVE и Samsung популярного для бытовых и индустриальных применений типоразмера 18650. Для теста были выбраны аккумуляторы литий-никельмарганцевой системы: по два образца одного наименования каждого производителя – и протестированы на двух значениях тока разряда: 0,5 А и 2,5 А. Испытания проводились в нормальных условиях на электронной нагрузке EBD-USB от ZKEtech, а зарядка осуществлялась от лабораторного источника питания в режиме CC+CV в соответствии с рекомендациями в даташите на определенную модель.
Гуру
 
Регистрация: 10.11.2011
Адрес: Taganrog
Сообщений: 8,404
Репутация: 2214
2,198 487
16 2
 
21.06.2015 17:55 #2
Наша цель – отсутствие подстроек и калибровок выполнена. С этим разобрались…Ну и..!?Напрашиваетесь на "удалёнку"-вэлкам,друзи..!Без обид,кек...
Оценка
Компания Компэл, официальный дистрибьютор EVE Energy, бренда №1 по производству химических источников тока (ХИТ) в мире, предлагает продукцию EVE как со склада, так и под заказ. Компания EVE широко известна в странах Европы, Америки и Юго-Восточной Азии уже более 20 лет. Недавно EVE была объявлена поставщиком новых аккумуляторных элементов круглого формата для электрических моделей «нового класса» компании BMW. Продукция EVE предназначена для самого широкого спектра применений – от бытового до промышленного.
Новичок
 
Регистрация: 02.12.2010
Сообщений: 50
Репутация: 17
7 1
0 0
 
21.06.2015 20:19 #3
Цитата:
Сообщение от alexzand
Наша цель – отсутствие подстроек и калибровок выполнена. С этим разобрались…Ну и..!?Напрашиваетесь на "удалёнку"-вэлкам,друзи..!Без обид,кек...
Помню в советской школе была группа продленного дня... а что такое удаленка - не знаю.
Оценка
Знаток
 
Регистрация: 13.07.2007
Сообщений: 657
Репутация: 124
114 11
5 2
 
21.06.2015 21:24 #4
Схема оригинальная. Чужой положительный опыт всегда интересен.
Но такими датчиками редко кто занимается. И схема работает в помещении. Точность вас устраивает.

Отмечу два момента.
1 Не самый лучший АЦП по температурной стабильности.5-40 ppm/°C
В AD7799 внутренняя калибровка 0 и полного диапазона ±10 nV/°C typ. В AD7714 ещё больше возможностей.Калибровка полного диапазона сигнала от датчика,например.
2 Не лукавьте .Отсутствие регулировок и калибровок - это при знании Си несущественно.
Вы же с кодом от АЦП что-то делаете. И умножить на коэф. и убрать смещение проще простого.Например вычитать/прибавлять код полученный с регулировочного резистора подключённого к другим входам АЦП.
Но и эти проблемы не носят серьёзного характера.
Достаточно поставить на плате любой термометр (DS1820) и прогнать по температуре и скомпенсировать програмно.
Вы ради интереса нагрейте пальцем АЦП и отпишитесь.
Один раз с AD7799 такое сделал и был неприятно удивлён.
Но цикл автокалибровки (раз в 20 сек) всё тут же исправил.
Оценка
Новичок
 
Регистрация: 02.12.2010
Сообщений: 50
Репутация: 17
7 1
0 0
 
22.06.2015 11:24 #5
Цитата:
Сообщение от Sergey57
2 Не лукавьте .Отсутствие регулировок и калибровок - это при знании Си несущественно.
Вы же с кодом от АЦП что-то делаете. И умножить на коэф. и убрать смещение проще простого.Например вычитать/прибавлять код полученный с регулировочного резистора подключённого к другим входам АЦП.
Обменяться опытом очень приятно. Эта попытка и схема, вообще говоря, вырвана из контекста. А контекст такой. Я давно занимаюсь именно pH-метрией и сейчас делаю модификацию своего давнишнего проекта. Поэтому, то что я написал не панацея, но в моем контексте уместно. Например, I2C - ограничивает выбор АЦП, а мне нужно таких в линейке 3-8 штук. И т.д.
Что касается смещения и двуполярности, честно, сам приятно удивился, нельзя знать всего. До этого городил 2 питания, калибровки и т.д. Индивидуальные калибровки при наличии СИ - это ерунда, Sergey57 - правильно говорите. Но когда у вас идет серия приборов... Вы выпускаете единую программу для микроконтроллера и в ней эти калибровки разные. Значит надо как-то организовать "запихивание" индивидуальных калибровок в энергонезависимую память через какой-то протокол... удаленно по Интернету. Таков мой опыт. Это не всегда возможно. Отсюда у меня страсть к "идеальности" измерений в этом смысле.
Организовать собственную калибровку - идея хорошая для многоканального АЦП. Если у кого есть опыт поделитесь. ИОНы - тоже плавают.
Да, прикоснулся паяльником к АЦП. Не знаю какой у него цикл самокалибровки, а она есть. 3 разряда поплыли...
Оценка
Знаток
 
Регистрация: 13.07.2007
Сообщений: 657
Репутация: 124
114 11
5 2
 
22.06.2015 12:30 #6
Как очень давно пошутил мой Учитель.
Что бы мы не делаем либо измеряем давление, проводимость итд
всегда получается термометр в первую очередь.

Ваше самое простое решение для линейки измерителей сделать
отдельную плату с подстроечными резисторами и отдельным ПИК или что хотите и по любому интерфейсу в ЦП. Судя по схеме входов у вас не много.
Такой фокус проделывал с 16F676 по SPI (программный) В вашем случае
подобрать что-то копеечное. Чем понравилось под каждую величну делается свой масштаб подстройки. Если надо биполярная подстройка
из безнакового делаем число со знаком.
С такой схемкой очень удобно прогонять по температуре.
коды записываешь и потом в программу.Желательно детали одной серии и оптом.
Оценка
Специалист
 
Аватар для antonydublin
 
Регистрация: 22.09.2010
Адрес: г. Донецк
Сообщений: 868
Репутация: 380
371 0
3 0
 
23.06.2015 19:44 #7
Цитата:
Сообщение от Sergey57
Как очень давно пошутил мой Учитель: "Что бы мы не делаем, либо измеряем давление, проводимость и т.д., всегда получается термометр в первую очередь".
А мой шеф говорит: «Измерять можно с любой степенью точности. Но где взять достаточно чистый сигнал?»

Интересный материал, kek. Спасибо.
Я далёк от pH-метрии в профессиональном смысле, но всегда жутко интересно заглянуть «за забор» :-). Уверен, что химические датчики имеют наиболее чистый (исходно) выходной сигнал. И, если я правильно понимаю, то pH-электрод по аналогии с термопарой является источником ЭДС, но химическим источником, причём с огромным внутренним сопротивлением и двухполярным сигналом на выходе (наверное, разную полярность дают кислотные и щелочные среды).

Но мне близка проблематика прецизионных измерений. И, если уж приходится бороться с шумами термопар и терморезисторов, наводками и импульсными помехами, то иметь в качестве первичного преобразователя датчик с сопротивлением в несколько сот мегаом – такого врагу не пожелаешь.

Поэтому понятно – фильтрация. Сетевые 50Гц большинство АЦП давно умеют фильтровать самостоятельно. Те же упомянутые AD7xxx имеют встроенные, нередко программируемые режекторные фильтры с неплохим коэффициентом подавления. Но импульсная, непериодическая помеха… Я вот при медленных измерениях qsort() и поиск медианы не применяю. Когда времени у МК полно (замер несколько раз в секунду), постоянная времени исследуемого процесса ориентировочно известна, просто проверяю, что новое измерение не вышло за допустимый диапазон роста в единицу времени, или, что тоже, что модуль приращения функции не «зашкаливает». А потом усреднение, усреднение. Так действую, например, при термостатировании тяжёлой пресс-формы со сложной геометрией, когда на прогрев до нужной температуры уходит несколько часов, а весь процесс прессования проходит стадиями, строго по ступенчатой диаграмме «температура-давление». Так, как ни старался, мне не удалось избавиться от помех по всем измерительным каналам в момент пуска двигателя маслостанции пресса. Обмен опытом.

И конкретный вопрос по Вашей схеме. Вы пишите, что величину сопротивлений Rg1 и Rg2 следует выбирать так, чтобы ток образованного делителя был много больше тока потребления ОУ и АЦП. Это требование было бы очевидным, если бы Вы действительно «пользовались» созданной искусственной общей точкой, например, запитали ОУ (что эквивалентно наличию двухполярного источника питания с низким внутренним сопротивлением). Но ведь в схеме ОУ и АЦП лишь косвенно (по входам) зависят от «средней» точки, т.к. делитель всего-навсего задаёт смещение входного сигнала на фиксированную величину. В этом случае как-то не хотелось бы отдавать 5-10 мА цепи смещения в виде «прожорливого» делителя. Величина сопротивлений, думается, может быть 10-20кОм и больше, учитывая ничтожные входные токи ОУ и большое сопротивление датчика.

Но в схеме конденсатор Cf1 (конденсатор на диф. входе АЦП) своим вторым выводом подключен к делителю. В этом случае, как я понимаю, образуется обратная связь. И чем выше величина сопротивлений Rg1 и Rg2, учитывая большое сопротивление датчика, тем больше глубина этой связи. Это, конечно, было бы критично при оцифровке периодических сигналов с частотой от нескольких герц и выше, т.к. конечная форма напряжения на входе АЦП изменялась бы. При постоянном же сигнале на входе ОУ любая случайная переменная составляющая влияет на величину напряжения смещения, заданного делителем. Т.е. подавление конденсатором помехи на диф. входе АЦП не происходит, т.к. нарушается симметрия. Возможно, эффективнее было бы второй вывод Сf подключить к общему проводу схемы. Ведь есть кондесаторы Сb6, Сb7 на входе -In АЦП. Или я не правильно понимаю назначение Сf.
Оценка
Новичок
 
Регистрация: 02.12.2010
Сообщений: 50
Репутация: 17
7 1
0 0
 
24.06.2015 01:09 #8
Цитата:
Сообщение от antonydublin
Возможно, эффективнее было бы второй вывод Сf подключить к общему проводу схемы. Ведь есть кондесаторы Сb6, Сb7 на входе -In АЦП. Или я не правильно понимаю назначение Сf.
Некоторые вещи шаманского происхождения, передаются от отца к сыну. ФНЧ Rf1,Cf1 предполагает сглаживать именно импульсные помехи, наведенные на вход и прошедшие усилитель. Симметрия не должна нарушаться. Можно вообще сделать большое тау за счет кондера, так, чтобы и 50 герц сгладить. Но это тау должно быть порядка 0.5 секунд.
Cb6 и Cb7 не правильно рассматривать, как нечто поключенное к "-" АЦП.
Эти кондеры симметрично сглаживают выход делителя средней точки. Всегда надо смотреть что кто-то выход, а кто-то вход (теория четырехполюсников). Вот делитель - это выход. Поэтому ток его должен быть больше чем у потребителей.

В предыдущих до модификации схемах был так себе усилитель. Но в целом с помехой справлялась вся конструкция. Каждый вносил свою лепту. Кондеры и медианная фильтрация. В итоге все работало в условиях киловатных движков и компрессоров.
Эту схему еще предстоит в реальных цеховых условиях проверить.
Последний раз редактировалось kek; 24.06.2015 в 01:21.
Оценка
Ответ
Опции темы Поиск в этой теме
Поиск в этой теме:

Расширенный поиск
Оценка этой теме
Оценка этой теме:
Похожие темы
Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Часовой пояс GMT +3, время: 11:35.
Обратная связь РадиоЛоцман Вверх