Verstärker mit True-Ground-Output-Swing und A/D-Wandlung

Ich möchte ein 0-20-mV -Signal von einem Sensor auf 0-2,048 V verstärken , um es einem ADC (mit einer Referenzspannung von 2,048 V ) zuzuführen. Nachdem ich das digitale Signal in einen Mikrocontroller eingegeben habe. Ich muss in der Lage sein, eine Änderung des 0-20-mV-Signals mit einer Genauigkeit von 5 µV zu erkennen. Daher wird nach Verstärkung auf 0–2,048 V (unter Verwendung einer Verstärkung von 102 ) eine Genauigkeit von 0,5 mV benötigt. Mein Sensorsignal ändert sich sehr langsam und ich muss nur eine Probe/Messung pro Sekunde machen.

Ich habe diesen Instrumentenverstärker zur Verstärkung (differentiell) AD8237 ausgewählt : Datenblatt

Um nun einen echten Masseausgangshub zu erhalten (da das Signal anfangs im Bereich von 0 bis 20 mV liegt), möchte ich den LM7705 verwenden : Datenblatt

Durch Versorgen des positiven Versorgungspins des AD8237 mit 3,3 V und des GND-Pins mit dieser kleinen negativen Masse des LM7705 sollte ich in der Lage sein, einen Ausgangshub auf Null Volt zu erreichen (also den gesamten Bereich meines ADC nutzen). Der LM7705 Negative Bias Generator scheint genau für diesen Zweck gemacht zu sein. Ich habe versucht, diese Idee mit dem Tool Diamond Plot von Analog Devices zu überprüfen, und alles scheint im erwarteten und gültigen Bereich zu liegen: Klicken Sie, um meine Konfiguration anzuzeigen

Auch in Bezug auf die Genauigkeit ist das größte Problem, das ich sehe, der Eingangsoffset von 75 µV des Eingangsverstärkers, aber ich sollte in der Lage sein, den Wert später in der Software (Kalibrierung) zu korrigieren. Sehen Sie Probleme in Bezug auf die kleine negative Masseversorgung für diesen Instrumentenverstärker? Im Datenblatt konnte ich nichts dagegen finden. (An den Ref-Pin würde ich die normale Masse von 0 V anschließen). Ist das in Ordnung?

Außerdem habe ich mich für diesen 18-Bit-ADC ( MCP3422 ) entschieden: Datenblatt

Würde es auch mit 3,3 V versorgen und den In-Amp-Ausgang direkt an diesen ADC (Single-Ended) anschließen. Es hat eine On-Board-Referenzspannung von 2,048 V.

Kann ich den In-Amp-Ausgang direkt an diesen ADC anschließen? Sehen Sie große Probleme mit diesem Ansatz oder ADC und seiner Genauigkeit (damit ich meine angegebenen Mindestanforderungen erfüllen kann)?

Ich freue mich über jeden Hinweis/Feedback/Hilfe, die ich von Ihnen bekomme, danke!

In welchem ​​Temperaturbereich werden Sie den InAmp betreiben?
@Andyaka: Es wird in einem Stromkreis verwendet, der in einer nicht beheizten Box / einem nicht beheizten Raum platziert wird. Über ein ganzes Jahr können die Temperaturen also möglicherweise zwischen -5°C und 40°C schwanken.
Die Eingangs-Offset-Spannung am AD8237 driftet um 0,3 uV pro °C, daher könnte man am Eingang über diesen Temperaturbereich eine Drift von bis zu 13,5 uV Äquivalent sehen.
@Andyaka: Danke für den Hinweis. Ich denke, die angegebene Temp. Die Reichweite sollte wirklich der schlimmste Fall sein (möglicherweise viel kleiner). Wenn ich max. Temp. Drift von sagen wir 15 µV, das würde mich kosten, wenn ich 3 Messwerte / Auflösungsschritte entfernt wäre (im absoluten Worst-Case). Ich habe diesen INA genommen, weil er eine sehr geringe Verstärkungsdrift / -fehler aufweist und meine sehr niedrige Gleichtaktspannung akzeptiert (kann sogar unter 0 Volt gehen). Bisher habe ich kein anderes INA gefunden, das all diese Anforderungen erfüllt. Sehen Sie zusätzliche Probleme außer der Temperatur? Drift in meinem Ansatz? Irgendwelche Gedanken zum LM7705 oder zum ADC? Danke schön! :)
Der 7705 scheint cool und nein, ich habe keine anderen Probleme gesehen, außer Ihrer Fixierung darauf, mit 20 mV als Eingang genau die volle Skala zu erreichen; Tun Sie dies nicht, weil Gain-Fehler und Offset-Fehler im ADC Sie rückgängig machen werden.
@Andyaka: Ok, Sie schlagen also vor, ich sollte nur eine Verstärkung von etwa 100 verwenden (um nach der Verstärkung maximal 2 V zu erreichen) und den Rest als Pufferraum für Offset / Fehler belassen, die ich später kompensieren kann? Offset und Fehler, die ebenfalls verstärkt werden, führen also nicht dazu, dass mein Signal abgeschnitten wird, da das verstärkte Signal höher als die Referenzspannung des ADC ist, falls ich meine Verstärkung auf genau 2,048 V festlege, habe ich Sie richtig verstanden? Wenn Sie sich die Datenblätter des vorgeschlagenen IN-AMP und ADC ansehen, sehen Sie Probleme beim direkten Anschluss des INA-Ausgangs an den ADC-Eingang? Ich bin mir nicht sicher. Danke!
Reduzieren Sie nicht nur den oberen Pegel ein wenig, sondern auch den Bereich um 0 Volt - ich weiß, dass diese Art den Apfelwagen ein bisschen stört, aber Ihr ADC garantiert wahrscheinlich nicht, dass der Eingang bis auf 0 Volt herunter funktioniert. Normalerweise lasse ich oben und unten 50 mV, aber das wäre bei einem 0-Volt-Signal im mittleren Bereich; Sie haben ein Signal, das möglicherweise bei 0 Volt liegen kann und vom InAmp kommt.
Was ist Ihre Störumgebung? Wie sauber wird der VDD sein? Wenn Sie vor dem ADC keinen Bandbreitenfilter einsetzen, haben Sie etwa 1 Millivolt PP zufälliges Rauschen im ADC.
@Andyaka: Ok, danke für den Input! Ja, das Problem ist, dass mein Signal auch Null Volt enthält. In den Spezifikationen des vorgeschlagenen ADC kann ich nichts finden, was Probleme/Fakten dazu angibt. Die Art und Weise, wie Sie auf dieses potenzielle Problem hingewiesen haben, klingt für mich so, als wäre es nur eine Vorsichtsmaßnahme, die Sie praktizieren, aber mein ADC funktioniert möglicherweise immer noch gut, so wie ich ihn verwenden möchte (bis auf null Volt), oder? Es könnte also einen Versuch wert sein und sehen, ob der ADC auf Null geht? Ist das ein bekanntes Problem mit ADCs? Wie ich vermute, ordnen sie digitale Werte gemäß v_ref zu und beginnen mit einer binären '0' und null analogen Votls?
@Andyaka: Könnten Sie bitte einen kurzen Blick auf die Eingangsimpedanz des vorgeschlagenen ADC ( ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22088c.pdf ) werfen und mir sagen, ob dies meinen IN-Amp ( analog.com /media/en/technical-documentation/data-sheets/… ) wenn ich den Ausgang des INA direkt mit dem ADC-Eingang verbinde (single ended)? Ist die Eingangsimpedanz des ADC zu niedrig, sodass ich Probleme bei der Verwendung des INA bekommen könnte? Würde mich sehr über eine Antwort von dir freuen :)
|Z| beträgt 2,5 MOhm / PGA-Verstärkung, also müssen Sie herausfinden, welche PGA-Verstärkung Sie haben.
PGA = 1 (Einheitsverstärkung), da ich meinen Instrumentenverstärker verwende, um die genaue Verstärkung einzustellen, sodass ich nicht beabsichtige, die Verstärkung auf der ADC-Seite zu verwenden.

Antworten (1)

Ich habe diese Signalkette durch den Signal Chain Explorer laufen lassen; Sie benötigen einen starken Filter vor dem ADC [siehe Anmerkungen am Ende zur weiteren Verbesserung des SNR]

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ohne den LowPass-RC-Filter sinkt das SignalNoiseRatio von 78 dB auf 58 dB aufgrund von zufälligem Rauschen des Instrumentationsverstärkers. Ich bin von einer Rauschdichte von 70 Nanovolt/rtHz ausgegangen.

Und wenn ich die verschiedenen Störer aktiviere (der obere rechte Gargoyles-Button), sinkt auch der SNR auf 57 dB; Der dominierende Störer ist der (standardmäßig) nahe gelegene Schaltregler, der sich nur 1 cm von Ihrer Signalkette entfernt befindet und die PCB-Spur vom LPF in den ADC wirft.

Hier ist eine Textdarstellung der 4 Gargoyles, wobei die Standardwerte aus den 4 (editierbaren) Tabellen verwendet werden, die die Störer definieren {für EFI und HFI ist die Anstiegsgeschwindigkeit die primäre Eigenschaft, die Störungen verursacht; plus Distanz}

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Beachten Sie den RC LPF direkt vor dem ADC. Der Gargoyles-Teil der Simulation verwendet das mechanische Bewusstsein des SCE-Tools, bei dem die PCB-Leiterbahn-Standardwerte 10-mm-Leiterbahn mit zwei Durchkontaktierungen mit 2 mm Durchmesser und einer Leiterbahnbreite von 1 mm und 1,5 mm Höhe (1/16 Zoll) über der Rückseiten-Erdungsleiterbahn sind ( oder Ebene).Die Fläche der Leiterbahn stellt die Anfälligkeit für elektrische Felder dar. Die Höhe (1,5 mm) und die Länge (14 mm) definieren einen SCHLEIFENBEREICH, der der anfällige Bereich für Magnetfelder ist.

Ich habe 1.500 Ohm und 1 uF ausgewählt, um den 100-Hz-Tiefpassfilter zu erstellen. Standardmäßig ist der 1uF-Kondensator 14 mm vom ADC-Eingangspin entfernt. Diese Entfernung ist das Hauptopfer des Magnetfelds des Schaltnetzteils.

Ich schlage vor: (1) Platzieren Sie den 1uF-Kondensator direkt am ADC-Eingangspin. (2) keine Schaltnetzteile in der Nähe der LPF + ADC-Leiterplattenspur haben. (3) Beachten Sie, dass die Interferenz in der Sensor-/Opamp-Spur so hoch sein kann, dass der OpAmp in die Nichtlinearität getrieben wird und Sie überraschende Fehler erhalten.

Beachten Sie, dass der ADC etwas Eingangsstrom zieht, wenn sich der Eingangsabtastkondensator auf Ihre (maximale 2,048 Volt) Eingangsspannung auflädt. Dieser durchschnittliche Strom verursacht einen Spannungsabfall über dem 1.500-Ohm-Widerstand.

Das Tool steht übrigens kostenlos zum Download bereit unter: robustcircuitdesign.com

Hier ist der Amplitudenfehler (nur der LPF ist aktiviert); Beachten Sie, dass die OpAmp-Stufe und die ADC-Stufe deaktiviert sind.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Fehler (nur LPF; LPF hat F3dB von 100 Hertz) beträgt 0,0004 dB, wobei ein dB für voltage_ratio 12 % pro dB beträgt. Der Fehler beträgt ungefähr 12 % * 0,0004 oder ungefähr 50 Teile pro Million oder 1/20.000

Die Opamp-Verstärkung (klicken Sie auf die OpAmp-Stufe und dann auf „Show Open/Closed Response“) ist bei 1 Hz um 0,1 % gesunken. Sind Sie damit oder mit der Einschwinggenauigkeit besorgt?

Beachten Sie, dass das SNR (mit den 4 Störern, die durch die global wirksame „Gargoyles“-Taste aktiviert sind) 57 dB beträgt.

Auch hier beträgt das vorhergesagte SNR 78 dB und ENOB 12,7 Bit, wenn Gargoyles AUS und der 100-Hertz-Filter auf EIN geprüft sind und der OpAmp und der ADC ebenfalls auf EIN geprüft sind.

Halten Sie einfach jedes Schaltnetzteil mindestens 20 dB (10X) weiter entfernt als den in der HFI Gargoyle-Tabelle verwendeten Standardabstand von 10 mm; Klicken Sie auf „HFI“, um diese Tabelle anzuzeigen; mindestens 100 mm (4") von jeder Schaltversorgung und Ihrer Signalkette entfernt sein, zumindest von der PCB-Spur von LPF zu ADC.

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bearbeiten, um einen effektiveren Tiefpassfilter zu präsentieren

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Im zweiten Screenshot gibt es eine Textfenster-Zusammenfassung der Stärke der Störer:

Magnetfeldinduzierte HFI beträgt 930 Mikrovolt

Stromversorgung PSI, die in die VDD-Pins des Verstärkers (und des ADC) eingeht, bei 60 und 120 Hz, mit einer moderaten PowerSupplyRejection von 80 dB bei den niedrigeren Frequenzen und mit 10 Millivolt, beträgt 100 Mikrovolt

Der durch ein elektrisches Feld induzierte EFI wird von Spitzen auf der Stromleitung dominiert (das Stromkabel verläuft durch den Bereich der Signalkette) und beträgt 37 Mikrovolt .

Schließlich geht Ground Plane Interferer davon aus, dass 0,1 A Müll bei 10 MHz (für eine Schaltversorgung) durch 2 Quadrate der Ebene fließen, was 12 Mikrovolt entspricht .

Schauen Sie im ersten Screenshot auf die rechte Seite und lesen Sie die berechnete Quantisierungs-Standardabweichung als 2,2 Mikrovolt ab. Das ist der ADC-Boden.

Somit ist der nächste Gargoyle von Bedeutung die POWER SUPPLY RIPPLE, die mit 10 Millivolt angenommen wird. Fügen Sie Widerstände (10 Ohm, um nur einen kleinen DC-Spannungsabfall zu verursachen) und einen großen Kondensator hinzu, um die 120/60-Hz-Welligkeit um 6 oder 10 dB zu senken. Dies erfordert einen F3dB von? 30 Hz, was eine Zeitkonstante von 1/(6,28 * 30) oder etwa 5 Millisekunden erfordert. Daher reicht ein 470uF-Kondensator aus. Und der ADC benötigt möglicherweise auch eine VDD-Filterung. Lesen Sie das Datenblatt.

Tausend Dank dafür! Zu Ihrer obigen Frage: Ich plane, dieses LDO für rauscharmes VDD zu verwenden: analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/… . Findest du dieses LDO ok oder sollte es besser etwas sein. so (extrem niedriges Rauschen)?: analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/… . Ok, also sollte ich wirklich einen Filter hinzufügen. Welche Grenz-/Filterfrequenz würden Sie vorschlagen? Wäre ein einfacher Tiefpass 1. Ordnung von 10 Hz für diese Anwendung in Ordnung? Würde der Filter auch das „Gargoyles“-Problem lösen oder ist das ein anderes Problem?
@Henry Habe ich deine Fragen abgedeckt?
Großer Dank! Gibt es einen besonderen Grund, warum Sie einen RC-Filter anstelle von LC verwenden? Ich habe Ihren Filter in einer Spice-Simulation ausgeführt und er dämpft Signale ab > 1 Hz. Ist das beabsichtigt oder sollte ich etwas höher zielen? Apropos ENOB: Kann ich mit meiner angedachten Idee noch 12-13ENOB erreichen? (Wie in Ihren Simulationen sehe ich Werte bis 9,28 ENOB)?
@cap Henry Halten Sie einfach jedes Schaltnetzteil mindestens 4 "von der letzten Leiterplattenspur entfernt, die vom 100-Hz-LPF zum ADC verläuft. Am besten platzieren Sie die 1uF-Kappe direkt neben dem ADC und erden Sie die Kappe mit AnalogGround des ADC.
Das ist wirklich eine tolle Antwort! Bedeutet das, dass ich immer noch ~ 12 ENOB als Endergebnis im Layout erhalten könnte, wenn ich ein Schaltnetzteil (LDOs, den In-Amp usw.) weit von der Signalspur entfernt halte? (Wie in Ihrem Bild, wo Sie Gargoyles eingeschaltet haben, gibt es nur ~ 9-10 ENOB. Ich nehme an, das lag daran, dass zwischen dem Umschalten der Quellen und der endgültigen Signalspur nicht genügend Abstand eingehalten wurde?). Als Filter haben Sie 100 Hz Tiefpass gewählt, weil alle Schaltquellen 1 MHz < sind, also reicht ein 100 Hz-Tiefpass, habe ich das richtig verstanden?
Schaltnetzteile (und die schwarzen Steine) sind der Tod für Systeme mit hohem SNR. Eine Möglichkeit zum Testen besteht darin, am Ende eines Koaxialkabels eine quadratische 1-Zoll-Schleife zu machen, dann dieses 1-Zoll-Quadrat um den (einigen) ausgewählten Umschalter zu führen und den Müllpegel auf Ihrem Oszilloskop zu messen. Verkleinern Sie dann den gemessenen Abfallpegel auf den im Signalketten-Explorer verwendeten Standardschleifenbereich (14 mm lang und 1,5 mm hoch). Bei einigen Magnetfeld-Müllgeneratoren fällt das Feld als 1/Entfernung ab; Bei anderen Trash-Generatoren fällt das Feld als 1/Distance^2 ab. Die Mathematik in SCE HFI Gargoyle geht von einem einfachen Drahtschleifenmodell und 1/Entfernung aus.
Sie können den RC lpf auf 10 Hertz oder 20 Hz oder 5 Hz absenken, wenn Sie möchten. Bei niedrigeren Bandbreiten wird das Einschwingen langsamer. Bei 1 Neper pro Zeitkonstante und 6,28 TAU pro Hertz ermöglicht der 5-Hertz-Filter 5 * 6,28 = 31,5 Tau oder 31,5 * 8,6 dB = 250+ dB Einschwinggenauigkeit, wenn Sie eine Sekunde warten, nachdem sich der Sensorausgang geändert hat.
Danke, sehr wertvolle Infos. Wenn ich das richtig verstanden habe, kann es also möglich sein, mit der vollständigen Konfiguration in der Realität (Sensor, IN-Amp, Filter, ADC und Gargoyles ON) ~ 12 ENOB zu erreichen, wenn ich genug Abstand zwischen der Signalspur und der Schaltversorgung halte? (Entfernung abhängig von "Schuttfeld"-Drop-Off-Entfernung des jeweiligen Generators)?
@Henry Du musst auch die MCU fernhalten, und keine MCU-Leitungen (Sleep, Mode, Select) in die Nähe bringen. Diese paaren sich ziemlich gut durch die Luft, wie EFI. Installieren Sie das Tool und untersuchen Sie die EFI-Datenbank (klicken Sie einfach auf „EFI“). Ihr nächster Gargoyle ist die PowerSupply VDD-Welligkeit, von der angenommen wird, dass sie NUR 60/120 Hz BETRÄGT. Installieren Sie 10 Ohm und 470 uF in VDD-Spuren, wenn Sie über 1 Millivolt Welligkeit haben.
Sehr tolle und informative Antwort, thx! Magnetfeldinduziertes HFI beträgt 930 Mikrovolt, das ist viel! Ok, also ist es sehr wichtig, so viel Abstand wie möglich zwischen den Komponenten und Signalleitungen einzuhalten, wie ich sehe ... Wie Sie erwähnt haben, brauche ich einen Filter zwischen INA und ADC. Aber würde der vorgeschlagene RC-Filter nicht zu viel Quellenimpedanz für den ADC hinzufügen? Im ADC-Datenblatt ( ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22088c.pdf ) Seite 14 heißt es: Die Quellenimpedanz sollte idealerweise Null sein. Alles oben, was Fehler hinzufügt. Wie würde ich das minimieren? Vielleicht LC-Filter statt RC verwenden?
Henry Wenn der ADC-Eingangs-RC-Filter schnell genug ist, dann wird es einen extrem niedrigen DC-Fehler über dem Widerstand geben. Am 13. Januar habe ich eine Einschwinggenauigkeit von 250 dB berechnet, wenn ein 5-Hz-Filter verwendet wird. Bei L+C-Filtern muss L mit einem Parallelwiderstand bedämpft werden; außerdem wird L bei 5 Hz enorm sein und sehr anfällig für externe Magnetfelder; Daher verwende ich lieber ein winziges R als ein großes und teures L.
Henry Wie soll ich die Antwort aktualisieren? Wir haben in diesen Kommentaren viele weitere Details und Low-Trash-Methodik aufgedeckt. Wie kann man diese Details besser organisieren?
Ja, das wurde sehr interessant, ich habe diese Antwort schon ungefähr 10 Mal gelesen und ich lerne immer noch etw. immer wieder neu! Ich habe eine weitere Frage erstellt, als ich anfing, das Thema Filterung zu recherchieren und was ich in meinem Fall hier brauche: electronic.stackexchange.com/questions/418009/… Vielleicht können wir die filterbezogenen Antworten aus der akzeptierten Antwort hier hinzufügen (Ihre letzte Bearbeitung). und seine Kommentare zu dieser Frage, um das Wissen übersichtlich zu halten? Vielen Dank für das Teilen deines großartigen Wissens!
Ein letzter Gedanke: Wie ich anfangs übersehen habe, hat der ADC auch einen Sinc-Filter mit ordentlichem Ansprechverhalten (siehe Seite 10, Abbildung 2-11 im Datenblatt: ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/22088c.pdf ). könnte dafür sorgen, dass ein großer Teil des INA-Schaltrauschens entfernt wird. Und durch Abstandhalten von fies rauschenden Schaltnetzteilen ist es vielleicht auch möglich die 12 ENOBs ohne zusätzliches RC-Filter zwischen INA und ADC zu erreichen? Wie ich vermute, haben Sie den internen Filter des ADC nicht simuliert (und das Gargoyle / mechanische Bewusstsein scheint das meiste Rauschen zu verursachen).
Ich habe mich gefragt: Würden Sie sagen, dass es eine gute Idee ist, zusätzlich Via-Zäune zu platzieren, um meine Schaltversorgungen so weit wie möglich von der Signalspur zum ADC entfernt zu halten? Die Durchkontaktierungen könnten HF-Rauschen / Magnetfelder zur Masseebene kurzschließen?
Irgendwelche Gedanken zur Verwendung von Via-Zäunen (zur Erde), um die Rauschkopplung auf der Signalleitung zu verhindern?
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