Wie verstärke ich ein 0-100-mV-Signal an einen ADC mit einem Bereich von 0 bis zu einer bestimmten Referenzspannung?

Wenn Sie den Ausgang wirklich auf Masse bringen müssen, damit selbst ein "Rail-to-Rail" -Ausgang nicht gut genug ist, geben Sie ihm negative Leistung. Ein Operationsverstärker zum Ansteuern eines A/D-Eingangs benötigt nicht viel Strom, daher sollte eine Ladungspumpe ausreichen.

Alles, was Sie brauchen, ist ein konstant umschaltender digitaler Ausgang. Dies kann ein NPN/PNP-Emitterfolgerpaar ansteuern. Das plus zwei Schottky-Dioden und zwei Kappen ergibt eine kleine negative Spannung. Mikrocontroller können oft einen Pin mit einem "Taktausgang" oder ähnlichem ansteuern, was nützlich ist, um daraus eine Ladungspumpe zu machen. Nach den verschiedenen Spannungsabfällen haben Sie am Ende nur etwa -1,2 V, wenn Sie mit einer 3,3-Vpp-Rechteckwelle beginnen, aber das reicht aus, um viele Operationsverstärker weit über ihre untere Schienengrenzregion hinaus zu bringen.

Ein mögliches Problem dabei ist, dass der Operationsverstärker jetzt unter die gültige A/D-Eingangsspannung fahren kann. Mit der richtigen Schaltung und der Sicherstellung, dass die Eingangsspannung zum Operationsverstärker innerhalb eines bestimmten Bereichs bleibt, sollten Sie wissen können, dass der Ausgang nicht negativ wird. Dies sollten Sie jedoch sorgfältig abwägen.

Wenn Sie sich Abschnitt 28.6.3 des ATmega328P-Datenblatts ansehen, werden Sie sehen, dass es beginnt, den Nullpunktverschiebungsfehler zu definieren, den Sie erhalten, wenn Sie den ADC verwenden. Das Ergebnis davon ist, dass es äußerst sinnvoll ist, (sagen wir) die unteren oder oberen 10 mV des ADC-Bereichs nicht zu verwenden, da Sie nicht garantieren können, dass der ADC nicht die "Endanschläge" erreicht hat: -

Das obige Bild zeigt den Effekt von Null- und Verstärkungsfehlern und bitte beachten Sie, dass diese sowohl additiv als auch subtraktiv sein können.

Sie müssen also mit Nullfehlern und Verstärkungsfehlern fertig werden, und dies verringert Ihren tatsächlichen numerischen Bereich - Sie müssen natürlich damit leben oder jeden ADC-Eingang spezifisch kalibrieren.

Wenn Sie auf Seite 374 nachsehen, erhalten Sie reelle Zahlen: -

• Der Offset-Fehler wird als 2 LSBs bei einer 4-V-Referenz angegeben, was bedeutet, dass der Nullpunkt 0 V +/- 7,8 mV betragen kann.
• Der Verstärkungsfehler beträgt ebenfalls 2 LSBs, aber Sie haben den zusätzlichen Fehler, dass die Spannungsreferenz nicht genau 4,0960000 Volt beträgt. Sehen Sie sich die Toleranz dafür an.

Kurz gesagt, verwenden Sie einen Rail-to-Rail-Operationsverstärker, der gut geeignet ist, um auf 10 mV herunterzukommen, und leben Sie mit dem Problem wie alle anderen auch.

Erstens ist es verschwenderisch, einen Instrumentenverstärker zu verwenden, wenn der Eingang auf Masse bezogen ist. Ein normaler Operationsverstärker in nicht invertierender Konfiguration funktioniert gut (eigentlich in jeder Hinsicht besser).

Wenn der Operationsverstärker nicht ganz auf 0 V geht, können Sie eine Diode wie folgt in Reihe mit dem Ausgang schalten:

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

Sie könnten auch eine negative Versorgung für den Operationsverstärker erstellen, aber im Allgemeinen verursacht dies zusätzliche Probleme, da der Operationsverstärker jetzt negativ genug schwingen kann, um die absolute maximale negative Eingangsspannung des Chips zu überschreiten. Bei einigen MCUs können Sie innerhalb der Grenzen bleiben, indem Sie eine Versorgung schaffen, die -300 mV nicht überschreitet, und es gibt tatsächlich einen Ladungspumpenchip, der genau dafür ausgelegt ist. Es gibt auch Pflasterlösungen wie das Hinzufügen eines Vorwiderstands und einer Schottky-Diode zur Masse, aber sie können andere Probleme haben, und keine von ihnen verursacht garantiert keine (möglicherweise subtilen) Probleme im normalen Betrieb, selbst wenn dies nicht der Fall ist die absoluten maximalen Spannungs- oder Eingangsstromspezifikationen überschreiten.

Eine andere Möglichkeit, die je nach den Interna des von Ihnen verwendeten In-Amp funktionieren kann oder nicht, besteht darin, den Referenzstift auf (sagen wir) 20 mV zu erhöhen und die unteren paar Zählwerte des ADC wegzuwerfen. Wenn ein interner Knoten des Eingangsverstärkers in die Sättigung gerät, funktioniert dies möglicherweise nicht, und es besteht das zusätzliche Problem, die niederohmige 20-mV-Quelle für die Referenz bereitzustellen, da die meisten Eingangsverstärker keinen internen Puffer für die Referenz haben.

Sie müssen etwas vorsichtig sein, wenn Sie sehr nahe an der Sättigung des Verstärkers arbeiten, ihn aber nicht wirklich auf die Schiene fahren – die Eigenschaften können sich ziemlich ändern und es kann zu einer Mikroinstabilität in der Nähe der Schiene kommen. Natürlich finden Sie dies nicht im Datenblatt und Makromodelle modellieren das Verhalten möglicherweise nicht genau.