Monitoree pequeñas variaciones en el voltaje

Debo disculparme si mi pregunta es trivial ya que no encontré una pregunta similar, decidí preguntar específicamente la mía.

Tengo una membrana microscópica en mi laboratorio, esta pieza a la que llamamos NMS tiene una variación de voltaje provocada por su funcionamiento. Similar al potencial de acción en las neuronas de un sistema nervioso. Estamos tratando de construir un sistema de medición electrónico que pueda capturar la variación de voltaje en un rango de -70mV a -55mV. Queremos tener una precisión de al menos 1 mV o posiblemente menos en nuestras mediciones. Dado que el único tipo electrónico al que tenemos acceso es un estudiante de licenciatura, podremos ayudarlo, así que he decidido buscar ayuda de la comunidad.

El SoC actual que sabe programar y con el que se siente seguro es ESP32. Mientras buscaba en su hoja de datos, tiene algunas funciones geniales que podríamos usar aquí, las agrego aquí como referencia:

http://espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_en.pdf

  • 4.1.2 Convertidor de analógico a digital (ADC)

ESP32 integra ADC SAR de 12 bits y admite mediciones en 18 canales (pines analógicos). Algunos de estos pines se pueden usar para construir un amplificador de ganancia programable que se usa para medir señales analógicas pequeñas. El coprocesador ULP en ESP32 también está diseñado para medir los voltajes mientras opera en el modo de suspensión, lo que permite un bajo consumo de energía. La CPU se puede activar mediante una configuración de umbral y/o mediante otros disparadores. Con la configuración adecuada, los ADC y el amplificador se pueden configurar para medir voltaje para un máximo de 18 pines.

  • 4.1.3 Preamplificador analógico de ruido ultra bajo

ESP32 integra un preamplificador analógico de ruido ultrabajo que amplifica la diferencia de voltaje entre los pines SENSOR_VP y SENSOR_VN y envía el valor al ADC. La relación de amplificación viene dada por el tamaño de un par de condensadores de muestreo que se colocan fuera del chip. Al usar un capacitor más grande, se reduce el ruido de muestreo, pero se incrementa el tiempo de estabilización. La relación de amplificación también está limitada por el amplificador, que alcanza un máximo de unos 60 dB de ganancia.

  • 4.1.4 Sensor de pasillo

ESP32 integra un sensor Hall basado en una resistencia N-portadora. Cuando el chip está en el campo magnético, el sensor Hall desarrolla un pequeño voltaje lateralmente en la resistencia, que puede ser medido directamente por el ADC, o amplificado por el preamplificador analógico de ruido ultrabajo y luego medido por el ADC.

Entonces, básicamente estoy buscando sugerencias de diseño para las medidas mencionadas con chips ESP32. También necesitamos algunos consejos para construir la sonda de medición, específicamente, necesitamos una forma de conectar nuestra membrana NMS que está intercalada entre un portaobjetos de microscopio y un cubreobjetos a nuestro sistema de medición.

Gracias a todos.

Tener "el único SoC que conoce el estudiante de EE accesible" como línea base de diseño es una absoluta tontería. Especialmente dado que es ESP32 y el rendimiento requerido.
No puedo estar más de acuerdo, no hemos elegido ESP32 como línea de base, simplemente nos encontramos ante ese escenario. Demostrar que el experto al que tenemos acceso siente que es posible con ESP32. Tal vez podría haber ayudado más y propuesto un SoC alternativo para la tarea dada. Gracias.
¿Por qué no instalar un ADC de 18 o 20 o 22 bits? Estos resuelven fácilmente << 1 milivoltio, con niveles de entrada de +- 5 voltios.
La idea no era usar componentes externos, solo quería hacerlo con todo lo que ESP-32 tiene para ofrecer.

Respuestas (3)

El ESP32 no mide voltaje puro (es decir, su entrada no parece una resistencia infinita). No encuentro valor de ohmios para los pines de entrada de ESP32 A/D en sus hojas de especificaciones. Puede ser 1Meg, puede ser 100K.

¿Cuál es la resistencia del voltímetro tolerada por la configuración de su micropipeta? Si la entrada A/D debe parecerse a una resistencia de 100 megas, definitivamente necesitará un amplificador operacional para que sirva como un búfer de entrada. (También un amplificador operacional puede manejar entradas pos y neg en un rango de muchos voltios).

También esto:

  • Muchos amplificadores de abrazadera de parche no usan un circuito de abrazadera de voltaje real, sino que son amplificadores diferenciales que usan el electrodo de baño para establecer el nivel de corriente cero (tierra). Esto permite a un investigador mantener el voltaje constante mientras observa cambios en la corriente. Para realizar estos registros, la pipeta de parche se compara con el electrodo de tierra. Luego se inyecta corriente en el sistema para mantener un voltaje establecido constante. Sin embargo, se necesita mucha corriente para sujetar, el voltaje es de signo opuesto e igual en magnitud a la corriente a través de la membrana. Ver: https://en.wikipedia.org/wiki/Patch_clamp#Recording

Para las sondas de membrana de micropipeta, para lograr un ruido del sistema lo suficientemente bajo, generalmente el voltaje es fijo o "comandado", mientras que solo se miden los nanoamperios. Usamos un circuito llamado "amplificador de escenario principal": un amplificador operacional cableado para actuar como un amplificador de transimpedancia. Esto se coloca entre el electrodo de pipeta y el resto de su circuito (la entrada ESP32). Entonces, la membrana genera un pulso de 10nA y el amplificador da una salida de 1.0V. El amplificador tiene dos entradas (amplificador diferencial) para que podamos comparar los potenciales entre la celda sujeta y el entorno fluido.

Palabras de búsqueda: esquema de cabecera de abrazadera de parche

Acabo de reemplazar los FET fritos en uno de estos el mes pasado: una versión clásica antigua (no uno de los productos caros y de vanguardia que se usan hoy en día). Esbocé un esquema tosco .

Este utiliza un JFET dual externo para lograr un funcionamiento extremadamente bajo en ruido, con el FET alimentando un amplificador operacional LF356 de bajo costo. La resistencia de 100 megas proporciona una operación de 0,1 V por nanoamperio.

PD

La versión elegante y costosa es Axopatch, Axon corp. Aquí está uno de sus amplificadores de escenario. En lugar de comprar FET duales de Siliconix, ¡ construyeron los suyos propios! Los montaron en un enfriador peltier, para que puedan enfriarlo a -20C, reduciendo el ruido aún más. Esta cosa puede detectar los pulsos de la apertura/cierre de un solo canal de iones.

No puedo agradecerle lo suficiente, su escritura está llena de palabras clave valiosas que definitivamente nos ayudarán a construir este dispositivo práctico y económico. Gracias de nuevo.
  • ADC

Considerando una atenuación de 0dB (y una precisión de 12 bits), dando un voltaje de escala completa de 1.1V, tendrá 4095 "pasos" dentro de este rango de voltaje, resultando en 0.000268620269V para cada paso. Muy preciso en mi opinión. ¡Y satisface sus necesidades de 1mV!

PD.: Sólo un recordatorio. No olvide mover sus voltajes por encima de 0V (es decir, +70mV y +55mV) para que pueda usar directamente los pines IC. Si pudiera informar el voltaje base en el que ocurrirán estas variaciones, sería muy útil para poder dar una respuesta mejor que esta :)

PPS.: Bueno, no puedo comentar en esta cuenta, así que intentaré responder a su pregunta aquí, ¡me alegraría si le ayudara!

Gracias por tus comentarios. Le pido amablemente que eche un vistazo a esta página wiki, puede encontrar una respuesta más clara allí. en.wikipedia.org/wiki/Action_potential
Lo siento, no puedo ayudarte con las sondas, mis conocimientos de biología son muy limitados. Pero, considerando una sonda de laboratorio electrónica, sugeriría unas de baja resistencia interna, para que no desperdicie su pequeño diferencial de voltaje dentro de las sondas. Las sondas chapadas en oro siempre me funcionaron. También recomendaría usar medidas de 4 cables, para mayor precisión. Ahora, sobre el MCU. Si pudiera llevar ese diferencial de voltaje a la MCU, se leerá con la precisión deseada. ¡Pero cuidado con los voltajes negativos! Intente agregar un voltaje de compensación de 0.7V con un OPAMP de precisión.
Realmente aprecio tus comentarios, realmente me diste algunos consejos valiosos.

¿El voltaje que estás midiendo es realmente negativo? Si es así, necesitará un circuito de amplificador operacional para sesgar o invertir el voltaje. El amplificador de ganancia programable puede ser útil para aumentar el nivel de la señal. Un filtro de paso bajo puede ser útil para reducir el ruido. La hoja de datos a la que proporcionó el enlace realmente no brinda muchas especificaciones para el ADC como ENOB (número efectivo de bits). Probablemente no obtendrá los 12 bits completos si lo hace. Creo que podría estar mejor con un ADC sigma delta externo que pueda manejar entradas positivas y negativas.

Gracias por tus comentarios. ¿Sugieres usar diferentes SoC? ¿Puede ser más específico y darme un número de producto que considere que se ajusta a nuestros requisitos?
Mirando más a fondo su requisito para capturar la forma de onda que se muestra en el enlace, probablemente desee una tasa de conversión de al menos 10 kHz, por lo que un convertidor sigma delta sería demasiado lento para eso. Eso significa una muestra cada 0,1 ms, lo que podría ser problemático para que el SOC lea eso a menudo desde un ADC externo. Entonces, usar el ADC en chip tiene ventajas allí. Realmente no puedo asesorarlo con la selección de SoC ya que no tengo mucha experiencia allí.
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