Evite el modo común en el amplificador y la protección de entrada ADC

Estoy diseñando un circuito de medición de temperatura usando un PT100 en un puente de piedra de trigo. En el rango de temperatura que estoy midiendo (0-45C) debería obtener 0-25.5mV del puente y luego amplificar la señal a 0-5V usando un amplificador de instrumentación (estaba pensando en algo como el AD8221) para poder leer usando un PIC.

Entonces aquí vienen dos problemas:

1- Modo común del amplificador:

No puedo permitirme ningún voltaje de modo común. Mi suministro principal es de +12 V, por lo que estaba pensando en usar una bomba de carga para proporcionar un suministro de +-12 V al amplificador de entrada y evitar el recorte de salida.

2- Protección de entrada analógica La solución de suministro de +-12 V me obliga a proteger la entrada analógica del PIC de voltajes por debajo de 0 V y por encima de 5 V usando diodos de abrazadera en la entrada analógica, pero en realidad no sé si esta es una solución válida o si afecta las lecturas. de cualquier manera.

No sé si estoy en el camino correcto con este enfoque, por lo que se agradece cualquier idea o consejo. Gracias

Respuestas (2)

Poner una resistencia variable de un solo elemento en un puente de Wheatstone produce inherentemente no linealidades y, para reducirlas, debe tener las otras tres resistencias fijas con un valor mucho más alto que los 100 ohmios del PT100 a 0 grados C.

Por supuesto, esto reduce el rendimiento, es decir, la variación del voltaje de salida con la resistencia disminuye significativamente. Otro problema es mantener estable el voltaje de excitación. Dado que está utilizando un ADC, consideraría realizar una medición radiométrica en la que Vcc genere excitación y se use como voltaje de referencia del ADC.

Otra consideración es que la entrada del ADC a su PIC no coincidirá perfectamente para producir cero digital con precisión de 0 voltios y escala completa digital con precisión de 5 voltios. Es posible que tampoco tenga una gran linealidad (busque la cifra de INL del ADC del PIC en la hoja de datos). He visto errores de INL de más de 10 LSB en algunos PIC y, si es un ADC de 10 bits, esto representa un 1%. error de escala completa.

Redondeando, usaría una resistencia de 1k para alimentar el PT100 desde Vcc local y esto generará un rango de voltaje de 454,5 mV a 0 °C a 525,6 mV a 45 °C. Luego usaría un amplificador operacional para amplificar esto en 8 y esto produce un rango de voltaje de 3.636 voltios a 4.205 voltios en la entrada ADC.

Claro, solo usa alrededor del 11% del rango ADC, pero aún son 116 LSB y para un rango de 45 °C, es una resolución de 0,39 grados.

Si eso parece demasiado "torpe", entonces también podría considerar que la precisión del PT100 puede ser peor. Con un poco de cuidado, podría volver a escalar el rango utilizando una resistencia de polarización alimentada a la entrada inversora del amplificador operacional: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

El circuito anterior (lado izquierdo para 117,47 ohmios y lado derecho para 100,00 ohmios) produce un rango de salida de 455 mV a 4,561 voltios, es decir, menos "torpe".

Las no linealidades del simple divisor de potencial 1k/PT100 pueden compensarse fácilmente con el PIC.

Esto parece simple y agradable, pero no veo cómo resuelve el problema de voltaje de modo común, de 0,45 a 4,56 V todavía son difíciles de obtener con un solo amplificador operacional de suministro a 0-5 V, avíseme si me equivoco. .
@Bizcochito hay muchos amplificadores operacionales que son dispositivos de entrada y salida de riel a riel. Todos los principales fabricantes los fabrican. Microchip y TI son probablemente los más baratos si el costo es un gran problema. También debe buscar dispositivos con voltajes de compensación de entrada decentes por debajo de 1 mV.
Si no le importa, podría sugerir usar el Vref- y una referencia más pequeña para deshacerse del desplazamiento de CC y usar el ADC de manera más eficiente. Todavía estoy tratando de encontrar la solución para ser independiente de VDD usando también algo de amplificación
El mínimo Vref+ - Vref- es 1.8V para PIC ADC Vref-> GND Vref+<VCC
@Bizcochito Me viene a la mente algo así como un MCP6021.
@Dorian básicamente, tratando de usar la propia referencia de ADC, no tiene el sentido de hacer que el ADC adquiera un valor proporcionalmente, es decir, será el mismo incluso si los rieles de alimentación se movieron hacia arriba o hacia abajo un poco.
Con la amplificación también pierdes el resultado radiométrico. Indique también una forma de generar Vref- y Vref+. No es una referencia propia de ADC, una referencia generada desde VDD.
No pierde los beneficios radiométricos cuando tiene ganancia y esto debe indicarse aquí para que el OP lo vea. Tampoco veo ninguna razón para mostrar una forma de generar Vref- y Vref+ en función de que no haya pérdida de beneficio al usar la ganancia. Ve y simulalo. @Dorio
(Movido del chat) Cierto, tienes razón, estaba jugando con Vref y lo perdí. Pero si tiene un OA de repuesto, esto se puede arreglar usando un divisor y la misma amplificación. Estas bien.
Todavía estoy resolviendo las cosas, ya que este no es un puente "compensado" convencional o al menos no es como los puentes de medición que normalmente veo. Entiendo que lo hizo de esta manera para compensar un poco la señal y evitar el problema del modo común, pero ¿qué criterio usa para seleccionar R4 y R5? ¿O simplemente los modificas hasta que obtienes lo que quieres? Gracias
@Bizcochito Los ajusté rápidamente en mi herramienta de simulación (microcap), pero hay fórmulas que se pueden derivar. Más fácil y rápido de modificar y probar (para mí). También noté que era útil tener los valores E192, pero no estaba empeñado en obtener una ganancia exacta debido a las limitaciones del rango de voltaje superior e inferior que obtiene en los ADC. Siempre deje 50 mV arriba y abajo es mi regla casi dorada
@Andy, también conocido como, estoy tratando de simular ese circuito con microcap pero obtengo una salida de 1.494-3.509V del amplificador operacional. Tal vez esto se deba al amplificador operacional que estoy usando, ¿podría decirme qué componente estaba usando? gracias
Modifiqué el amplificador operacional genérico (haciendo clic en él) para establecer los límites de salida de 13 voltios a 15 voltios. Hay una fuente de alimentación predeterminada que es de 15 voltios y puede ignorar esa configuración, pero las configuraciones de + y - 13 voltios limitarán la oscilación de salida a 2 voltios dentro de los dos rieles de alimentación que aplica en todos los ámbitos, así que hágalos + y - 15 voltios Si está utilizando un amplificador operacional diferente, debe revelar ese hecho.
Ok, eso funcionó, solo obtengo salidas un poco diferentes (566.651mV a 4.671V) pero podría ser cualquier cosa. También estoy simulando el circuito en Altium con algunos amplificadores operacionales de riel a riel y ajustando la ganancia para acercarme al riel de 5V (hasta 50mV debido a la limitación de ADC como dije) y estoy obteniendo buenos resultados. Creo que es hora de pedir algunos MCP6021 y empezar a probar. Gracias
Intente alterar Vos de 2 mV a 0 mV para simular un amplificador operacional con compensación de entrada cero. O simplemente envíeme un correo electrónico y le enviaré mi circuito sim. Estoy seguro de que puedes encontrar mi correo electrónico si lo intentas.
Después de cambiar el desplazamiento de entrada, mi simulación coincide con la tuya

Una variación de su enfoque es usar un Delta-Sigma A/D de alta resolución con entradas totalmente diferenciales, lo que evita la necesidad de un amplificador de entrada separado. He usado esto antes para medir la salida de un puente de Wheatstone que contiene un medidor de tensión.

La referencia que incluyo es la que he usado; hay otros disponibles que pueden funcionar igualmente bien. Aquí está el enlace

Como se muestra, la entrada A/D se conecta directamente a la salida del puente. La interfaz de su PIC es SPI. El requisito de energía para el A/D es compatible con su PIC. El único otro voltaje requerido es la excitación del puente.

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Esto parece interesante, tengo que comprobar si puedo controlar los módulos SPI y UART en el PIC al mismo tiempo, ya que necesito enviar los datos a través de RS485.
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