Aufbauschaltung zur Verstärkung kleiner Sensorsignale mit Instrumentationsverstärker und 24-Bit-ADC

1. Der Ausgang wird nicht vollständig auf die Schienen schwingen - bei einer mäßigen Last wird er innerhalb von 0,2 Volt von 0 Volt und einer positiven Versorgungsschiene liegen, und das klingt für mich nach einem Problem, da er realistischerweise nicht garantiert besser abschneidet ( siehe Seite 6 des Datenblattes "Ausgangsschwingen").
2. Hier gibt es kein Problem - Ihre Signale sind gleichstromgekoppelt und auf 0 Volt bezogen.

3. Ist es eine gute Idee, in meinem Fall mit 2,048 V Referenzspannung zu arbeiten, oder würden Sie mit 5 V gehen?

Wählen Sie eine höhere Versorgung wie 5 Volt, dann können Sie zumindest garantieren, dass der Ausgang bis zu 2,048 Volt schwingen kann.

4. Die gewählten ICs scheinen ziemlich genau zu sein. Sehen Sie in diesem Fall große Probleme, wenn Sie hier mit dem bereitgestellten System/der Idee eine Genauigkeit/Auflösung von 18-19-Bit anstreben?

Ja, ich sehe Probleme - die Eingangsoffsetspannung ist im Bereich von 100 bis 200 uV angegeben, und dies ist ein Fehler, der Ihrem Eingangssignal hinzugefügt wird, von dem Sie anscheinend erwarten, dass es nicht vorhanden ist.

5. Ich sehe hier kein Problem.

Wenn die Genauigkeit ein Problem ist, sehe ich keinen Grund, warum Sie keinen Standard-Rail-to-Rail-Operationsverstärker verwenden sollten, sondern einen mit hervorragenden Eingangs-Offset-Spannungsspezifikationen wie dem ADA4528 . Er hat eine Eingangsoffsetspannung von 2,5 uV und kann seinen Ausgang innerhalb von etwa 10 mV von positiver Schiene und Masse schwingen. Sie benötigen zwei Widerstände zur Einstellung der Verstärkung, da dies als herkömmliche nicht invertierende Operationsverstärkerschaltung funktionieren würde.

Wenn Sie einen 24-Bit-A/D-Wandler verwenden, benötigen Sie möglicherweise keine externe Verstärkung.

In einer perfekten Welt hat ein 24-Bit-A/D-Wandler mit einer Referenzspannung von 2,048 VDC eine Auflösung von etwa 122 Nanovolt. Dies ist weitaus besser als Ihre gewünschte Auflösung von 5 Mikrovolt.

Wir leben nicht in einer perfekten Welt, aber wenn Sie auf Ihr PCB-Layout und die Eingangsfilterung achten, sollten Sie in der Lage sein, Ihre gewünschte Auflösung zu erhalten, indem Sie Ihren Sensor einfach direkt an den A/D-Wandler speisen.

Alternativ können Sie den Spannungsmesswert Ende-zu-Ende AC-gekoppelt machen, dann müssen Sie sich viel weniger Gedanken über die ADC- und Operationsverstärker-Offsets machen.

Eine Beispielschaltung wird gezeigt (mit absichtlich weggelassenen Details). Grundsätzlich ist die Idee, dass Sie die Ausgangsspannung so weit versetzen, dass der ADC niemals Null liest. Dann schaltet der Mikroprozessor für jede Messung den Schalter in die kurzgeschlossene Position, gibt den Dingen Zeit, sich zu beruhigen, und liest den ADC. Dann legt es den Schalter in die Pyranometerposition, gibt den Dingen Zeit, sich zu beruhigen, und liest den (vermutlich höheren) Messwert. Dann subtrahiert es den Offset vom "echten" Messwert. Dadurch werden alle Offsetspannungen ausgewaschen, mit Ausnahme derer links vom Schalter (dh des Kabels und des Pyranometers).

Gewinne, Rauschen und andere Fehler liegen immer noch bei Ihnen. Der tatsächliche Gewinn, den ich hier ausrufe, ist möglicherweise nicht das, was Sie wollen – Sie müssen es noch einmal überprüfen. Dasselbe gilt für den tatsächlichen Offset (100 mV, wenn ich mich nicht irre, aber ich habe meinen Taschenrechner nicht zur Überprüfung gezückt). Sie müssen immer noch einen ADC wählen, der über anständige INL und DNL verfügt, aber Sie müssen sich keine Gedanken über Offset machen (was bei einem monolithischen ADC schwerwiegend sein kann). Auf diese Weise sollten Sie einen monolithischen 14- oder 16-Bit-ADC verwenden können, ohne sich Gedanken über ADC- oder Operationsverstärker-Offset (viel) oder Offset-Drift mit der Temperatur machen zu müssen (überhaupt, außer sicherzustellen, dass die Dinge im Bereich bleiben). Es kann sogar dazu führen, dass Sie die Messung in den On-Board-ADC eines Mikrocontrollers quetschen, aber ich würde das nicht tun, es sei denn, ich hätte wirklich Platz auf der Platine.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wie ich sehe, haben Sie bereits eine Antwort akzeptiert, aber ich kann eine einfache Lösung mit einem Bereich von fast 100 dB bis 100 kLux oder einem beliebigen Spitzenwert vorschlagen. Soweit ich mich erinnere ist es das Panasonic AMS302(?). http://www.digikey.com/product-detail/en/panasonic-electronic-components/AMS302/255-2655-ND/2125641

Es ist ein „Lichtsensor“, der nur eine feste Vreg von 5 V mehr oder weniger gemäß Spezifikation, niedrigem Strom und R out benötigt, um die Reichweite zu definieren. Es verfügt über eine augenkorrigierte CIE-Intensität mit einem Kunststofffilter, um die Tageslichtintensität wie in Kameras zu messen. Es wird nur in einem 3-poligen 5-mm-Gehäuse mit durchsichtigem radialem Blei geliefert. (wie Bulk-Tom-LEDs)

Da es sich um eine logarithmische Ausgabe handelt, funktioniert jeder 12-Bit-ADC oder besser. Sie sind sehr genau und kostengünstig. Warum auf die harte Tour gehen?