Hochspannungs-ADC-Messungen mit einem PIC und OpAmp

Ich muss ein Gerät herstellen, um die Spannung eines Reihenstapels von Kondensatoren zu messen, die maximal 100 V erreichen (nur Gleichstrom). Auf dem Schaltplan habe ich einige aus dem Stapel, die Ausgleichsschaltung und die PIC-Unterstützungsgeräte (xtal, Entkopplung) weggelassen, um meinen Standpunkt einfach zu vermitteln. Jede Kappe hat max. 5 V (hausgemachte Superkondensatoren, wenn Sie interessiert sind!).

Da die Dynamik ziemlich schnell ist, ist meine übliche Arduino-Lösung einfach nicht schnell genug, also bin ich zurück zu den alten Tagen von PICs, die ich seit vielen Jahren nicht mehr berührt habe! Idealerweise 1-10 ms für alle 20 Kanäle insgesamt.

Um die hohen Spannungen zu messen, nehme ich an, dass ein einfacher Widerstandsteiler ausreichen würde, dieser müsste jedoch so hochohmig wie möglich sein, um die Messwerte nicht zu verzerren, und Hochleistungswiderstände erfordern. Dadurch liegt die Impedanz für den von mir verwendeten PIC (PIC18F25K83) deutlich über den maximalen 10k. Der PIC läuft mit 5V.

Aktuelles Denken, das dies als Inspiration verwendet , besteht darin, einen Operationsverstärker zu verwenden, um die Ausgabe zu puffern. Bisher nicht verwendete Opamps.

Gibt es etwas Offensichtliches, das den magischen Rauch erscheinen lassen würde, oder gibt es eine bessere Lösung?

EDIT: Bild wie gewünscht beschnitten. Quantifiziert, wie schnell.

Schema

Willkommen bei EE.SE. Können Sie Ihr Bild so zuschneiden, dass es in der 640 breiten Spalte auf der Webseite einigermaßen lesbar ist? (Es kann 1:1 angezeigt werden, indem Sie darauf klicken, aber es gibt immer noch zu viel Leerraum.)
Fertig, mein Böser! Ist das besser? Ich vergesse, dass ich manchmal auf einem 4k-Bildschirm bin, nichts hat die richtige Größe, also bin ich daran gewöhnt!
was ist übrigens "ziemlich schnell" für dich? Der gute alte PIC ist nicht bekannt für unglaublich schnelle ADC oder viele ADC-Leitungen (was hier wirklich hilfreich sein könnte!)
Nun, das Arduino liegt in der Größenordnung von Millisekunden pro ADC-Lesung und ich erwarte 20 Kanäle. Das ist zu langsam. Ich habe den PIC hier auf einem Steckbrett sitzen und 18 Kanäle lesen, eine LED blinken lassen und UART (wird letztendlich I2C sein) auspumpen, und er macht alle Kanäle mit 8000 Messwerten pro Kanal (gemittelt) in der Größenordnung von 1 ms. Das ist mehr, was ich suche.
Nun, können Sie Zahlen nennen, was für Sie "schnell genug" ist; "Millisekunden" ist wirklich langsam, und es ist überhaupt kein Problem, schneller zu sein, aber wie schnell wäre schnell genug?
und verstehe ich das richtig, Sie müssen eine Stapelung von 21 Kondensatoren / 20 Spannungen erfassen?
Drücken Sie die Eingabetaste zu früh, siehe oben, ob das Sinn macht?
Ja, wir haben einige hausgemachte Supercaps, die 8 V über sie verarbeiten können. Wir möchten einen Reihenstapel von 20 bis maximal 100 V erstellen, also zu wenig nutzen.
Können Sie wirklich antworten, was "schnell genug" wäre? Wir wissen jetzt, was zu langsam ist, und wir wissen jetzt, was schneller ist, als Sie brauchen, aber was wäre „schnell genug“?
Vorzugsweise maximal 1-10 ms für alle Kanäle, vorausgesetzt, das ist überhaupt machbar. Der PIC hier auf dem Steckbrett scheint dazu in der Lage zu sein, und ich kann Operationsverstärker mit schneller Reaktion erhalten.
Ich würde einige Zener auf die positiven Eingänge des Operationsverstärkers werfen, nur um sicher zu gehen. Abgesehen davon sieht es gut aus.
10 ms für alle Kanäle sind dann "schnell genug".
Fügen Sie als 0,02-Dollar-Vorschlag Pads für kleine Keramikkondensatoren parallel zu R2, R4, R6 usw. hinzu.

Antworten (3)

Möglicherweise möchten Sie eine Schutzdiode am Eingang des Operationsverstärkers anbringen. Die Hochspannung könnte den Operationsverstärker leicht durchbrennen, wenn sie irgendwie die Barriere des Widerstands überquert. Seien Sie beim Verlegen vorsichtig, manchmal können Durchgangslochteile vorteilhaft sein, um Lichtbögen zu vermeiden und eine Trennung zu gewährleisten, da die Kriech- und Luftstrecke für 100 V 0,71 mm beträgt.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ja, und übrigens können Sie Arrays von Schutzdioden dank der Notwendigkeit schneller externer Datenbusse günstig kaufen :)
Das ist großartig, vielen Dank. Würde es Probleme verursachen, wenn sich der PIC und der OPAMP auf derselben 5-V-Schiene befinden?
Nein, da der 200k-Widerstand den Strom auf 50uV begrenzen würde, sollte jede Versorgung in der Lage sein, dies aufzunehmen. Wenn Sie einen Lichtbogen hatten, könnte dies ein Problem sein, oder ein Kurzschluss, der ein Problem darstellen würde, also seien Sie vorsichtig.
Gute Frage und gut dokumentiert. Vielleicht möchten Sie dies lesen: meta.stackexchange.com/questions/126180/…
Großartig, prost. Auf dem "Danke" vermerkt. Mein Ruf ist nicht hoch genug, um ihn positiv zu bewerten, also wollte ich nur höflich sein!

Der AD8067 ist für diese Anwendung weitgehend ungeeignet. Beim Betrieb mit einer einzigen 5-Volt-Versorgung beträgt der Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich 0 bis 2 Volt, und das bedeutet, dass Sie Ihre Widerstandswerte radikal überdenken müssten, wenn Sie auf diesem bestimmten Chip verkauft werden.

Der Ad8067 ist auch ziemlich leistungshungrig. Der Stromverbrauch beträgt 6,4 mA pro Operationsverstärker, also summiert sich alles. Dies liegt daran, dass es sich um ein ziemlich schnelles Gerät handelt, das in Ihrer Anwendung verschwendet wird.

Danke für die Info. TBH, ich habe diesen Chip einfach reingeworfen, weil es der erste war, den ich auf Eagle gesehen habe, und vergessen habe, das Tag zu löschen. Ich bin mehr an einem 150-MHz-Quad-Opamp verkauft, der für 5 V ausgelegt ist, aber ich habe die Teilenummer vergessen (habe ihn bei der Arbeit gelassen, oops.)

Ich wäre wahrscheinlich faul und würde es vermeiden, 20 Spannungsfolger-ADC-Puffer zu bauen (und möglicherweise zu kalibrieren).

TI verkauft einen 10-Kanal-MUX + PGA-IC, der ziemlich genau für diese Art von Anwendung gedacht ist. PGA116 oder PGA117. Selbst für den aktiven Eingang, der an den programmierbaren Verstärker gemuxt wird, sind höchstens 5 nA Eingangsstrom erforderlich. Nehmen wir also an, Sie haben einen Serienwiderstand von 0,5 MΩ, das wäre ein Spannungsabfall von 5 ⋅ 10 5 Ω ⋅ 5 ⋅ 10 − 9 A = 25 ⋅ 10 − 4 v = 2.5 mV .

Über einen Bereich von sagen wir 2 V ist das ein Fehler von 2.5 ⋅ 10 − 3 2 = 0,125 % ; Ihr PIC hat einen 10-Bit-ADC, daher ermöglicht seine ADC-Quantisierung ohnehin nur eine geringfügig bessere Auflösung. Wenn das zu viel ist, würde eine Verringerung der Spannungsteilerimpedanz auf 300 kΩ den Fehler bereits unter die Auflösung bringen.

Sie würden also 20 Opamps + 2 PICs durch 2 PGA116 / 117 + 1 PIC ersetzen. Sie können ihre Umschaltung mit SPI von diesem einen PIC aus einfach steuern!

Um die Wahrscheinlichkeit von Hochgeschwindigkeitsschwingungen / RFI-Zeug zu verringern, empfahl Nick korrekterweise kleine (1 bis 4,7 nF oder so) Keramikkondensatoren parallel zur unteren Seite Ihrer Spannungsteiler. Billig! Verwenden Sie jeden Kanal so wenig wie möglich – das hält diese Kondensatoren aufgeladen und reduziert den Einfluss des Vorspannungsstroms weiter.

Verwenden Sie Arrays von TVS-Dioden. Sie sind günstig (und mit geringen parasitären Effekten) z. B. als Highspeed-/Superspeed-USB-Schutzdioden zu haben.

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