Umgang mit der Ausgabe eines AD8495

Ich baue eine Schaltung mit zwei Thermoelementverstärkern AD8495. Ich habe sie gewählt, weil sie einfach zu bekommen und ziemlich billig sind - es gibt im Grunde keinen anderen Grund. Jetzt muss ich eine Schnittstelle zwischen den Verstärkern und einem Mikrocontroller (AVR) erstellen. Der ADC des AVR hat eine Auflösung von 10 Bit, und davon möchte ich so viel wie möglich verwenden.

Die Temperatur, die ich an den Thermoelementen erwarte, liegt bei bis zu 300°C. Da der AD8495 5 mV/°C liefert, sollte die maximale Ausgangsleistung bei etwa 1,4 V liegen. Ich könnte dem ADC eine geeignete Referenzspannung zuführen, um diesen Bereich aufzulösen, aber wenn am AD8495 kein Thermoelement angeschlossen ist (oder etwas anderes schief geht), steigt das Signal auf 5 V (Versorgungsspannung), was für den ADC zu viel wäre mit niedriger Bezugsspannung.

Ich sehe zwei grundsätzliche Möglichkeiten:

Ich kann das Signal mit einem Widerstand und einer Z-Diode an die Referenzspannung (oder eine "kompatible" Spannung) klemmen:
AD8495 mit Z-Diodenklemme
Das ist einfach und billig, aber ich denke, ich könnte damit die gesamte Messung durcheinander bringen.

Ich kann auch einen OpAmp verwenden, um den Ausgang des AD8495 auf den vollen 5-V-Bereich zu verstärken:
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Verbunden mit diesen Optionen sind zwei gleichwertige Probleme:

  • Ich habe noch nie eine Klemmschaltung mit einer Z-Diode aufgebaut,
  • Ich habe noch nie einen OpAmp benutzt. Ich habe mich für den TS912 entschieden, weil es ein Rail-to-Rail-Typ mit Einzelversorgung ist (und ich ihn leicht bekommen kann)

Während ich weiß, wie die idealen Geräte funktionieren sollen, weiß ich auch, dass die realen Geräte meine Messung sehr durcheinander bringen werden.

Ich möchte bei 280 °C eine Genauigkeit von +/- 5 °C erreichen. Ich habe dazu noch keine Berechnungen durchgeführt, aber angesichts der ADC-, Referenz- und AD8495-Genauigkeiten könnte dies etwas zu optimistisch sein. Das ist mir bewusst.

Link zur Datenblatt-Download-Seite

Bearbeiten 1: Der AVR hat eine interne 2,56-V-Referenz, die ich verwenden könnte. Leider ist es nicht sehr genau (2,4 ... 2,8 V) und ich bin mir nicht sicher, wie viel Strom es aufnehmen oder abgeben kann. Selbst wenn die ADC-Kanäle interne Klemmdioden haben (die an Aref klemmen müssten), brauche ich zusätzlichen Schutz oder Konditionierung. Die Verwendung einer externen Referenz wird dieses Problem auch nicht wirklich lösen.

Bearbeiten 2: Dies ist mehr oder weniger meine Lösung:

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Die beiden AD8495-Ausgänge sind mit einem ADC (MCP3426) verbunden, der eine interne 2,048-V-Referenz hat. Das ist viel genauer als die interne Referenz des AVR und toleriert den 5-V-Ausgang des AD8495, wenn kein Thermoelement angeschlossen ist. Ich habe Schraubklemmen für die Thermoelemente und einen 0,1-Zoll-Header hinzugefügt. Alle Stiftlöcher befinden sich auf einem 0,1-Zoll-Raster. Layout und Routing war ganz einfach:

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Auf der Unterseite befinden sich zwei kurze SCL- und SDA-Leiterbahnen, alles andere ist geschliffen. Ich habe die Thermoelementspuren (links) etwas breiter gemacht, um einen geringeren Wärmewiderstand zu erzielen.

Überprüfen Sie das Datenblatt für den jeweiligen AVR, aber die meisten ADCs sind mit einem Eingang, der größer als die Referenz ist, in Ordnung. Sie melden entweder nur den Maximalwert oder setzen ein Überlaufbit.
Der ADC des AVR meldet den Maximalwert, wenn Vin > Aref. Das Datenblatt besagt eindeutig, dass Vin Aref nicht überschreiten darf. Möglicherweise gibt es interne Schutzdioden, aber wohin würde der Strom fließen, wenn sie zu leiten beginnen? Der AD8495 kann bis zu 7 mA liefern, und die interne Referenz des AVR kann sicherlich nicht die 14 mA von zwei von ihnen aufnehmen.
Fair genug, tun Sie es nicht, wenn das Datenblatt das sagt, war nur ein Vorschlag zur Überprüfung. Bei vielen ADCs ist die Referenz nur der Eingang zu einem Komparator, daher lauten die einzigen Regeln, dass sie den digitalen / analogen VCC nicht überschreiten sollte.

Antworten (1)

Eine Genauigkeit von +/- 5 °C Genauigkeit bei 280 °C entspricht etwa 1,8 % Fehler. Daraus ergibt sich eine effektive Auflösung von 6 Bit (unter der Annahme, dass der volle Messbereich bei ca. 280°C enden würde). 10 Bit Auflösung würden zu einer Genauigkeit von etwa +/- 0,28 °C führen und 8 Bit zu etwa +/- 1 °C. Sie müssen sich hier also keine Sorgen machen (auch wenn Sie nicht den vollen Bereich des ADC-Eingangs verwenden).

Die einfachste Lösung für Ihr Überlaufproblem könnte sein, Avcc als Referenzspannung zu verwenden (dann sollte es jedoch rauschfrei, präzise und stabil genug sein). Dies reduziert Ihre Auflösung (im Vergleich zur internen Referenz um die Hälfte, da sich der Messbereich verdoppelt), aber Sie haben dort viel Platz (Sie verwenden dann etwa ein Viertel des Eingangsbereichs des ADC, sodass Sie 8 Bit effektive Auflösung erhalten). über Ihrem Temperaturbereich).

Wenn Sie die Auflösung verbessern möchten, verwenden Sie einen rauscharmen 3,3-V-Regler, um sowohl Vref für den AVR als auch Vcc für den AD8459 zu erzeugen (er kann mit dieser Spannung betrieben werden). Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass die Spannung des Thermoelementverstärkers niemals die Referenzspannung überschreitet.

Sie können aber auch eine Zenerdiode verwenden, um die Spannung des Verstärkers zu klemmen. Wenn Sie sich zB das ATMega16-Datenblatt ansehen (Sie haben nicht angegeben, welchen AVR Sie verwenden), hat es einen Eingangswiderstand von 100 MOhm und gibt an, dass eine Eingangsimpedanz von weniger als 100 kOhm empfohlen wird. Die Klemmung hat also keine Wirkung, solange R1 im obigen Schema klein genug ist. Und 10 kOhm wären vollkommen in Ordnung - der Verstärker muss dann 0,5 mA liefern.

Die Verwendung eines externen ADC ist eine weitere Lösung. Wenn Sie sich den Platinenplatz und die zusätzlichen Komponenten leisten können, scheint dies sogar die beste Lösung zu sein. Suchen Sie nach einem ADC mit einer Referenz von 2 V, der auch Eingänge bis zu seiner Vcc aushalten kann, dann ist alles in Ordnung.

Ich persönlich würde mich für die 3,3-V-LDO-Lösung entscheiden. Möglicherweise benötigen Sie sowieso eine stabile und rauschfreie Referenzspannung, warum also nicht auch andere Probleme damit lösen?

Beim LP2985 würde die Genauigkeit der Versorgungsspannung (und damit der Referenzspannung) bei 1 mA Last 1,5 % und darüber 2,5 % betragen. Ich könnte den Ausgang des AD8495 auch an einen externen ADC speisen und ein einfaches Prototyping-Board mit 3,3-V-LDO, Thermoelementverstärkern und ADC erstellen. Könnte das eine gute Idee sein?
Die Verwendung einer Referenz mit einer Genauigkeit von 1,5 % macht es schwierig, Ihr Ziel einer Genauigkeit von +/- 5 °C zu erreichen. Zusammen mit der ADCD-Genauigkeit stößt man dort an die Grenzen. Es könnte in Ordnung sein, wenn die Referenz 3,3 V beträgt, dann können Sie zusammen mit der ADC-Genauigkeit Ihr Ziel erreichen. Die Verwendung eines externen ADC ist eine weitere Lösung. Wenn Sie sich den Platinenplatz und die zusätzlichen Komponenten leisten können, scheint dies sogar die beste Lösung zu sein. Suchen Sie nach einem ADC mit einer Referenz von 2 V, der auch Eingänge bis zu seiner Vcc aushalten kann, dann ist alles in Ordnung.
Ich brauche zwei Thermoelemente, damit der mcp3426 gut passen würde: interne 2,048-V-Referenz, kann anscheinend 5-V-Eingang, 16-Bit-Auflösung und programmierbare Verstärkung verarbeiten. Platz auf dem Board ist kein Problem.
Ja, klingt nach einer guten Passform. Viel Glück!
Nun, sieht so aus, als hätte ich tatsächlich Glück gehabt! Vielen Dank für Ihre Vorschläge, ich habe meine Lösung oben hinzugefügt.
Würden Sie Ihrer Antwort bitte die ADC-Lösung hinzufügen? Wenn Sie es nicht als Ihr Eigentum beanspruchen möchten, füge ich es als mein eigenes hinzu.
Ich habe meinen Kommentar zur Lösung hinzugefügt, unverändert. Auch die Schlussfolgerung ist dieselbe - ich denke immer noch, dass die LDO-Lösung der einfachste Weg ist.
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