самодельный модуль АЦП

[pirotehnick]

Добрый вечер.
Вобщем есть такая задача, нудно сделать многоканальный модуль АЦП с разрешением не менее 16 бит.
Диапазоны измеряемых напряжений: от 0 до 100 В, 0 до 200 В …..0 до 600В, т.е шаг 100В итого 6 диапазонов;
3 канала в дифференциальном режиме.

Собственно, вопросы:
1)Как лучше организовать выбор и переключение на нужный диапазон? Думаю, что цифровые потенциометры на резисторный делитель не пойдут или есть такие?
2)Как лучше организовать защиту входов АЦП от перенапряжения, без потери точности?

[blackx]

Можно сделать так: ставим на каждый диапазон маломощные делители из высокоомных резисторов (допустим, от 10К), на выходы делителей ставим диоды Шоттки и подключаем их + питания, чтобы при превышении выходного напряжения (выше напряжения питания) диоды открывались.

Автоматический выбор правильного диапазона сделать немного труднее, думаю тут лучше всего использовать микроконтроллер.

Переключения можно попробовать сделать, например, специальными микросхемами - аналоговыми ключами. Они обеспечивают достаточно высокую повторяемость выходного напряжения и просты в использовании. Ищите по запросу "bilateral switch" - двунаправленный ключ (я когда-то такие использовал. думаю можно найти и однонаправленные).

[misyachniy]

Вобщем есть такая задача, нудно сделать многоканальный модуль АЦП с разрешением не менее 16 бит.
Диапазоны измеряемых напряжений: от 0 до 100 В, 0 до 200 В …..0 до 600В, т.е шаг 100В итого 6 диапазонов;
3 канала в дифференциальном режиме.

Собственно, вопросы:
1)Как лучше организовать выбор и переключение на нужный диапазон? Думаю, что цифровые потенциометры на резисторный делитель не пойдут или есть такие?
2)Как лучше организовать защиту входов АЦП от перенапряжения, без потери точности?

Не понятный выбор диапазонов.
Перепад всего в 6 раз - меньше чем 3 бита АЦП.
Сейчас 24 битных АЦП вагон и маленькая тележка.
Получить реальных 18 или 19 бит довольно сложно, но можно воспользоваться усреднением.

Цифровые резисторы не подойдут однозначно - большой дрейф и напряжение у них не более 20 вольт.
Нужно делитель на выводных резисторах и высоковольтній переключатель.
Можно переключатель заменить гнездами и "перевтыкать" щуп.

Защиту обычно делают на диодах.
Когда будет выбрана схема, можно будет посчитать какую погрешность внесет сопротивление утечки диода.

[pirotehnick]

Спасибо!
Насчёт диодов, а какие именно нужны? Есть вроде защитные, специально для этих целей, а шоттки, там они вроде не очень превышение по напряжению держат, выходят из строя, точно не знаю....
Я вот подумал может прокатит такой вариант. На входе резисторный делитель, понижающий напряжение с 600 В до 3 В например, далее прецизионный ОУ с цифровым потенциометром, для задания коэффициента усиления. Ну то есть выбор нужного диапазона будет задаваться усилением по входу, тогда и защитные диоды не нужны...как думайте? Интересно на сколько ошибка потянет?

[woosterstring]

Уж больно похожи Ваши напряжения на что-то, связанное с питанием, поскольку входа дифференциальные нужны. Посмотрите в сторону front-end АЦП по типу тех, что для счётчиков электроэнергии (со встроенными усилителями к тому-же). Например, AD ADC. Во всяком случае, можно почерпнуть для себя кое-что по схемотехнике высоковольтных измерительных цепей в базе знаний Analog Dialogue, касательно вносимых искажений. Но это если бюджет не ограничен Всё же, нужно защищать АЦП и, как советовали, возможные аналоговые ключи, плюс гальваническая развязка с МК.Тут

резисторный делитель, понижающий напряжение с 600 В до 3 В например, далее прецизионный ОУ

резисторы потребуются прецизионные, конечно же. А есть ещё специализированные "высоковольтные" драйверы АЦП, например такие AD, но ничего не знаю о подобных МС. А ещё есть высоковольтные (по входу) ОУ, например такой, чтобы уменьшить шумы, вносимые согласующей обвязкой. И изолирующие усилители есть (и оптические, и на других принципах). И ещё в разделе прецезионных усилителей датчиков тока (current sense amplifiers) можно схемотехнику посмотреть по высоковольтной защите и расширению диапазонов, вот как тут (для примера). То же можно посмотреть у TI и т.д., если претендовать на гарантированную точность.

Просто привёл общую информацию, часто от разработчика ускользают новинки элементной базы.
И правильно сказано

Перепад всего в 6 раз - меньше чем 3 бита АЦП.
Сейчас 24 битных АЦП вагон и маленькая тележка.

Даже на 16 значащих битах это приличная точность, а ещё 2 бита "уровняют" точность от 100 до 600В (в смысле не потребуется перестройка предусилителя/делителя). Но всё равно, работая с таким напряжением нужно знать, какие значения SNR и смещений хочется получить, знать параметры сигнала, ведь он явно не может быть идеальным.

[misyachniy]

Насчёт диодов, а какие именно нужны? Есть вроде защитные, специально для этих целей, а шоттки, там они вроде не очень превышение по напряжению держат, выходят из строя, точно не знаю....
Я вот подумал может прокатит такой вариант. На входе резисторный делитель, понижающий напряжение с 600 В до 3 В например, далее прецизионный ОУ с цифровым потенциометром, для задания коэффициента усиления. Ну то есть выбор нужного диапазона будет задаваться усилением по входу, тогда и защитные диоды не нужны...как думайте? Интересно на сколько ошибка потянет?

По поводу защиты посмотрите в Гугле bav99, если лень то http://bav99.al.ru.
Шоттки имеют большое напряжение утечки, не знаю как повлияют на точность но лучше не рисковать.

О цифровом потенциометре последний раз:
http://www.analog.com/static/imported-f ... 2_8403.pdf

Nominal Resistance: Min 8К Max 12К
То есть изготовлен с допуском +/-20%

Ну например можно откалибровать и записать в контроллер коэффициенты.
Но температурный дрейф 500 ppm/°C
То есть 20 градусов прогрева и уже 1 % уход.

Если не хочется реле, поставьте транзисторы IRLML2402 для коммутации резисторов коэффициента усиления.
Сопротивление открытого ключа четверть ома. если взять резистор не менее 10К, то погрешность составит 0,01%.

[pirotehnick]

О цифровом потенциометре последний раз:
http://www.analog.com/static/imported-f ... 2_8403.pdf

Nominal Resistance: Min 8К Max 12К
То есть изготовлен с допуском +/-20%

Ну например можно откалибровать и записать в контроллер коэффициенты.
Но температурный дрейф 500 ppm/°C
То есть 20 градусов прогрева и уже 1 % уход.

Да, потенциометры тогда не подойдут. Конечно можно и температурный дрейф откалибровать, но всё равно это не дело...

Уж больно похожи Ваши напряжения на что-то, связанное с питанием, поскольку входа дифференциальные нужны.

Да, почти угадали Ну там для нескольких измерений, один канал для измерения питания и два для измерения потенциалов на электродах.

Даже на 16 значащих битах это приличная точность, а ещё 2 бита "уровняют" точность от 100 до 600В (в смысле не потребуется перестройка предусилителя/делителя).

Согласен, но переключение диапазонов выбрано для уменьшения шумов. Например для диапазона 600 В, нужна точность не менее 10 мВ. А для измерения потенциала на электродах, скажем для диапазона 100 В, раза в 2 выше.

Но всё равно, работая с таким напряжением нужно знать, какие значения SNR и смещений хочется получить, знать параметры сигнала, ведь он явно не может быть идеальным.

Про шумы сказать пока ничего не могу. Но предполагаемая скорость измерений не более 20 выборок в сек. Входное сопротивление не менее 1 МОм.

Вобщем порыл из того, что есть в магазинах. Выбрал следующие компоненты:
АЦП: ADS1256
Драйвер: THS4521

Только есть пару вопросов по схеме. В идеале нужно измерять биполярный сигнал. Т.е. +/- 600 В. Как я понимаю, драйвер позволяет это сделать? Только пока не совсем понял как это организовать, буду читать даташит дальше...

[woosterstring]

Двухполярный сигнал по-разному можно обработать посредствам ОУ перед АЦП. В основном это сдвиг сигнала на постоянную величину, чтобы «загнать» его в установленный диапазон АЦП. Например, полезный сигнал на неинвертирующий вход, а на инверсный вход ОУ тот уровень, на который хотите сместить сигнал (при двухполярном питании). Если ОУ с однополярным питанием, то один из вариантов подать на инверсный вход ОУ напряжение с ИОНа АЦП, используя дифференциальный режим. Вариантов много, везде есть нюансы.

По общим вопросам использования ОУ в сети есть масса литературы: Волович, Схемотехника аналоговых и цифровых устройств. Картер, ОУ для всех. Фолкенберри, Применение ОУ. Досталь, ОУ. Абрамов, Схемотехника устройств на ОУ и т.д. Кроме классической литературы, каждый производитель выпускает множество (достаточно общих) аппноутов по различным вопросам применения своих МС. Раз приглянулись АЦП от TI, то вот подходящие ссылки на тематические pdf:
sloa098
sboa092a
sloa064a
sloa030a
sloa072
sbaa147b
High-Voltage Signal Conditioning for Differential ADC
или
AD textbooks и там же
Level Shifter and Driver for the ADС
и т.д.
Я извиняюсь, если это покажется неуместной и бесполезной информацией. Но если подходить к решению задачи, то делать это серьёзно, имея должную теор. базу.

Кстати, входной усилитель для 24-битных АЦП всегда рекомендуют прецизионный, что правильно и понятно. Но если речь идёт о периоде выборки 50 мс, можно пока особо не беспокоиться о параметрах ОУ (шумы, смещение, быстродействие и т.д.). В крайнем случае, ОУ на плате всегда можно заменить на более хороший, благо корпуса унифицированы. И всегда есть вероятность не заметить что-то при медленной оцифровке.

[balmer]

Согласен, но переключение диапазонов выбрано для уменьшения шумов. Например для диапазона 600 В, нужна точность не менее 10 мВ. А для измерения потенциала на электродах, скажем для диапазона 100 В, раза в 2 выше.
.....
Про шумы сказать пока ничего не могу. Но предполагаемая скорость измерений не более 20 выборок в сек. Входное сопротивление не менее 1 МОм.

Насколько понял у вас практически постоянный ток, и нужна точность измерений 0.002%
Абсолютную точность такую ненерально получить. Хотябы потому, что неоткуда взять столь точный источник опорного напряжения.

Возможно надо поточнее сформулировать задачу?

[woosterstring]

Считаю, что о точности пока бессмысленно говорить, судя по постановке вопроса.
Я бы сосредоточил внимание на получении первого измерения, а там может оказаться, что
а) сигнал снимается с чего-то, запитанного отнюдь не идеальным источником питания (при таком-то желаемом разрешении),
б) и/или кроме постоянной составляющей в сигнале могу оказаться гармоники неясного происхождения,
в) от точки измерения до платы может оказаться несколько метров неэкранированной несимметричной линии, например,
г) могут проявиться неприятные мелочи, связанные с переходными процессами на электродах и вообще (независимо от природы контролируемого процесса),
д) как следствие, может потребоваться фильтр и т.д.
Многое может проявиться.
Правильно заметил balmer, ИОН с начальной точностью выше 0,01% проблематично найти, если вообще возможно. Сам недавно с этим столкнулся. А там шумы и дрейф, и дальше по списку.

[balmer]

Я бы лично начал так.
- измерял напряжение стрелочным прибором с точностью 1%
- подключил осциллограф через простейший фильтр, который пропускает частоты выше 5-10 герц и стал смотреть на форму сигнала на разных диапазонах. Скажем С=0.1 mkF, R = 220 ком, через такой фильтр убить осциллограф уже тяжеловато, зато можно оценить уровень помех на разных частотах. Да, чуть не забыл, через ДВА конденсатора на 0.1 mkF.