Измерение постоянного/переменного напряжения нескольких диапазонов, 5 разных по "ширине" диапазонов входных напряжений Опции

[bullit]

Добрый день!

Посоветуйте схемотехнику под следующую задачу:
Измерение напряжений
1) Выбираемый диапазоны: 0…20 В, 0…5 В, минус 10…+10 В, минус 5… +5 В, 0 … 10 В;
2) Точность измерения напряжения и тока: не хуже 0,1%

Сигнал может представлять собой импульсы, синусоиду или просто медленно меняющийся сигнал (одним словом очень разного вида) и т.д. Спектр сигнала превышающий 3 кГц не интересен. Источники сигналов могут располагаться как в метре так и в 30 метрах(но тут уже интересна будет больше форма сигнала на временной шкале).
С помощью аналоговых ключей (управляемых мк) предполагается переключать диапазоны входных напряжений, т.е. канал универсален для всех входных диапазонов.
Использование механических переключателей недопустимо по ТЗ.
Питание возможно двуполярное, но не превышающее |5| вольт.
АЦП хотелось бы выбрать однополярным, так как выбор более широк.
Входное сопротивление канала не менее 50 кОм.

Весь канал гальванически изолирован DC/DC и ISO-шками. На плате не менее 3-5 таких изолированных, друг от друга и остальной схемы, каналов.
Диапазон температур от -10 (-30) до 50(85) С.
Вокруг достаточно много мощных источников индустриальных помех (токовые шины 50 Гц и д.р.).

Вот думаю, какую схему реализовать, см. атач.
Как вариант:
1 каскад - делитель напряжения на 4, на резисторах
2 каскад - буфер не инвертирующий
3 каскад - масштабирующий усилитель (с однополярным питанием) со схемой сдвига (для одноплярного ацп).
4 каскад - ацп (с последовательным интерфейсом)
Смущает делитель и схема масштабирующего усилителя со схемой сдвига.
Вроде как нужно и сдвиг делить согласно усилению?
Делитель не слишком ли большой (антенна), и не слишком ли маленький для внесения погрешностей от источника сигнала? Да и подавлению помех тут ничего не сопутствует.



Хотелось бы сделать красиво и хорошо, а получится как говорится "само плохо".

[Plain]

К чему такие сложности, достаточно одного входа на ±20 В, а если есть окно для калибровки, то под делитель годятся любые самые паршивые резисторы.

[_Vova]

Сигнал может представлять собой импульсы...
Спектр сигнала превышающий 3 кГц не интересен...
не хуже 0,1%

- несколько противоречиво звучит

Смущает делитель и схема масштабирующего усилителя со схемой сдвига.

динамический даипазон небольшой, усилитель не потребуется, при соответствующей разрядности АЦП
и в вашей схеме сдвиг зависит от усиления

и в 30 метрах

на входе лучше применить диф. усилитель (с фильтром, если полоса действительно не больше 3кгц)
ПС 0,1% это необходимость? и это приведенная или относительная? в любом случае придется запастись хорошими резисторами.

[bullit]

достаточно одного входа на ±20 В

Ну наверное действительно проще взять ацп 16 бит, и его хватит. Но как-то одна мысль, что ацп будет использоваться, по большей части на 1/6 или 1/8 (5 вольт из диапазона -10(-20)..+20) от диапазона - не привлекает, но при этом ничего страшного.

если есть окно для калибровки, то под делитель годятся любые самые паршивые резисторы

Да с резисторами то как раз проблем нет. Есть российский производитель, отзывы хорошие!

на входе лучше применить диф. усилитель

Типа как на схеме ниже? Тогда не понятно как быть с делителем.


Сейчас схема прототип на инструментальном усилке AD8226 - видит большую диф. составляющую 100 Гц на столе. Входы к земле по 2 кОм! Пока один из входов не приземлил - наводка не ушла.

[Tanya]

Сейчас схема прототип на инструментальном усилке AD8226 - видит большую диф. составляющую 100 Гц на столе. Входы к земле по 2 кОм! Пока один из входов не приземлил - наводка не ушла.

Что у Вас за стол такой чудесный? И схема не для ИУ нарисована. Для самодельного ИУ на ОУ.
Не должно так быть... Попробуйте тогда с допустимым сетевым синфазным. Есть у TI - http://www.ti.com/ww/ru/analog/ina149_diff...d_pod4=38742821
и у AD.

[MrYuran]

1) Выбираемый диапазоны: 0…20 В, 0…5 В, минус 10…+10 В, минус 5… +5 В, 0 … 10 В;
2) Точность измерения напряжения и тока: не хуже 0,1%

Неправильная постановка вопроса.
Диапазоны должны подчиняться геометрической прогрессии.
То есть, каждый последующий в К раз шире предыдущего.
Возбмем К=10.
Тогда будет примерно так:
0-20
0-2
0-0,2
0-0,02
ну итд.
Идея переключений такая: сначала измеряется грубо на максимальном диапазоне, затем точно на нужном.

[bullit]

Диапазон устанавливается жёстко, т.е. диапазон от источника сигналов известен!
Поэтому "бродить" по диапазонам не нужно. Достаточно выставить один диапазон.
Или Вы это всё в динамике предлагаете делать?

Ну тогда наверное стоит поставить вопрос о схемотехнике первого каскада.
Использование "особенных" ОУ (по типу тех что предлагает уважаемая Tanya) нет желания, потому как выбор не широк.
Хотелось бы подавить все синфазные помехи.

Ещё вопрос: так как выбор частоты дискретизации регулируемый (предположем шагом 10 мкс), получается помеху 50 Гц в любом случае цифрой придётся давить?

[Tanya]

Ну тогда наверное стоит поставить вопрос о схемотехнике первого каскада.
Использование "особенных" ОУ (по типу тех что предлагает уважаемая Tanya) нет желания, потому как выбор не широк.
Хотелось бы подавить все синфазные помехи.

Ещё вопрос: так как выбор частоты дискретизации регулируемый (предположем шагом 10 мкс), получается помеху 50 Гц в любом случае цифрой придётся давить?

Придется перебороть свои желания. А про широкий выбор... Он шире, чем Вам кажется. А зачем нужна широта выбора?
Если есть синфазные помехи, которые приведут к зашкалу первого каскада, то все, что стоит потом, уже никак не поможет. Никакая магическая цифра...
Есть еще пассивные синфазные фильтры. А Вы действительно пробовали именно то, что было нарисовано? Соберите нормальную схему и попробуйте еще разок. Если да.

[Plain]

Хотелось бы подавить все синфазные помехи.

А где они здесь? Провод-то один.

[bullit]

Всё же интересно как лучше: приземлить один вход ОУ(вход - делитель на резисторах), дифф усилитель как в 4 посту(без резисторов по входу, но питание - дотягивать до входного - гемор)?
С учётом того что наводки ужасные!

[Tanya]

Всё же интересно как лучше: приземлить один вход ОУ(вход - делитель на резисторах), дифф усилитель как в 4 посту(без резисторов по входу, но питание - дотягивать до входного - гемор)?
С учётом того что наводки ужасные!

Это у нас тут ужасные информационные наводки. Вы рисуете одно, а пишете о другом. Нарисуете схему? ИУ и ОУ - разные вещи.

[_Vova]

пример ДУ с большим синфазным вам привели, если синфазное на самом деле не такое большое, как вы написали, и

Всё же интересно

собирать ДУ на рассыпухе, то R11!!R8=R9
в интегральном ДУ проблем со стабильностью и точностью резисторов нет меньше

Диапазоны должны подчиняться геометрической прогрессии.

не всегда, например, в осциллографах

Сообщение отредактировал _Vova - Jan 26 2012, 05:34

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Tanya]

собирать ДУ на рассыпухе, то R11!!R8=R9

Вы ошибаетесь. Или мне это кажется?

[GetSmart]

Вы ошибаетесь. Или мне это кажется?

Включив телепатию с чёрной магией выдвину предположение, что имелось ввиду равность сопротивлений + и - входов устройства/ОУ. То есть R11 || R8 должны = R9, примерно.

[Tanya]

Включив телепатию с чёрной магией выдвину предположение, что имелось ввиду равность сопротивлений + и - входов устройства/ОУ. То есть R11 || R8 должны = R9, примерно.

Да. Если R7=R10. Только непонятно, зачем такое в данном случае. Автору нужно ослабить сигнал. Т.е. резистор в обратной связи должен быть меньше, чем резистор на входе. Добавлять туда резистор с большим номиналом на землю не стоит. R11 просто лишний.

[MrYuran]

Диапазон устанавливается жёстко, т.е. диапазон от источника сигналов известен!
Поэтому "бродить" по диапазонам не нужно. Достаточно выставить один диапазон.

Значит, это и будет один диапазон, без переключений.
С т.з. динамического диапазона все ваши "диапазоны" практически одинаковы.

Для наводки:
Посчитайте дискретность вашего АЦП (отбросив пару-тройку младших разрядов) на диапазоне 20В, затем измерьте с такой дискретностью 10мВ, прибавьте оффсеты АЦП и усилителя, а затем полученное значение проверьте на предмет соответствия 0,1%

[_Vova]

Вы ошибаетесь. Или мне это кажется?

по умолчанию входные резисторы равны
на R11,R9 вместо заземления можно подать смещение для работы с однополярным входом АЦП

[Tanya]

по умолчанию входные резисторы равны
на R11,R9 вместо заземления можно подать смещение для работы с однополярным входом АЦП

Смещение можно подать на R9. R11 совсем не нужен. Или я ошибаюсь? Или это мне кажется?

[rudy_b]

Если вы аккуратно посчитаете, то, легко убедитесь в том, что в данной схеме невозможно выровнять входные сопротивления входов. Особенно, если учитывать и синфазную и дифференциальную составляющие сигнала. Поэтому, если это нужно, лучше использовать интструментальный усилитель, иначе синфазная компонента будет давать дифференциальный сигнал из-за разности входных сопротивлений (при ненулевом сопротивлении источника).

И вообще, требования какие-то странные. Если входы гальванически изолированные - то откуда помехи? А если "помеха" есть прямо на входе - то это уже не помеха, а сигнал.

[Tanya]

Если вы аккуратно посчитаете, то, легко убедитесь в том, что в данной схеме невозможно выровнять входные сопротивления входов.

Ну посчитайте аккуратно. Только толку в этом нет. Ведь эта схема правильно работает только при нулевом выходном сопротивлении источника сигнала. Для этого к ней приделывают спереди еще два ОУ. Получается классическая схема ИУ.

[bullit]

C точки зрения измериловки, входное сопротивление канала должно быть очень большое!
Ввиду того, что схема гальванически развязана, помех и смещений синфазных быть не должно (или мало).
Отсюда вывод, для входного каскада ИУ - самое оно. Но ИУ имеет коэффициент усиления больше 1. А мне нужен делитель на 4! Получается без входного делителя на резисторах не обойтись? Или если ставить, то ставить сопротивления в районе 1 МОма? - это не получится антенна?

Хотелось бы вернуться именно к схемотехнике!
Как входной диапазон "уместить" в операционик с питанием +/- 5 Вольт.

[Tanya]

Но ИУ имеет коэффициент усиления больше 1. А мне нужен делитель на 4!

Вы ошибаетесь - есть с усилением от 0.1 - ad628 и др.
При этом совершенно очевидно, что без входного делителя, который у некоторых сделан внутри, принять сигнал, вылезающий за размах питания, невозможно. А раз есть делитель, то входной ток будет соответствующий.