Измерить напряжение с потенциометра, Очень маленькое изменение, хочется чего-то элегантного Опции

[Сергей Борщ]

Задача в следующем: потенциометр отслеживает положение вала редуктора. Редуктор, двигатель и потенциометр вместе с приведенной схемой находятся внутри герметично запаянного прибора. Вскрывать прибор для внесения изменения в схему нельзя. Наружу выведены только контакты X1-X5. Штатно между X1, X5 подается питание (думаю, около 20 В), сигнал снимается с выводов X2, X3, X4 относительно X5 и идет в усилитель.

Мне нужно получить в контроллере положение движка потенциометра. Все было бы хорошо, если бы не пара R5, R7. Благодаря этому шунту напряжение на движке потенциометра меняется от примерно 577мВ до 633 мВ, а хотелось бы на входе контроллера получить напряжение от примерно нуля до примерно 5 В. Сигнал будет оцифровываться с частотой около 20 Гц, разрядность АЦП - 14 бит. Я не очень большой спец в аналоговой схемотехнике, а хотелось бы получить не архисложную схему из доступных компонентов, желательно без подгонки резисторов лазером. Конструкция любительская, финансирование из своего собственного кармана, измерительные усилители по 20 евро за штуку не потяну - нужно "оживить" три таких прибора.

Пока приходит в голову соорудить источник опорного напряжения, получить на нем потенциал, близкий к потенциалу в точке соединения R6, R7, R9 (577 мВ), разницу между этим потенциалом и напряжением с движка подавать на инструментальный усилитель и потом выход этого усилителя еще смещать вниз, но подозреваю, что шумов и температурных погрешностей в такой схеме наберу по самое "не хочу". Может у кого-то будут более элегантные идеи?

[ikm]

Ну смотрите, давайте для начала отбросим всякий дрейф потенциометра со временем, температурой и его гистерезисом при движении в разных направлениях и будем считать его "идеальным потенциометром". Далее рассмотрим измерительную часть. У вас есть АЦП 14 бит (идеальный) это ~16300 значений. Теперь возьмем для этого АЦП опорное 2В, и получим 120мкВ одно значение. Таким образом для вашего диапазона 55мВ вы получите 450 значений. Для Вас это приемлемая точность? Нет, поставьте опорник на 1В, получите 900 значений. Это что касается идеального случая без всяких усилителей и прочего. Эти данные можно сразу загонять в обработчик и уже с ними работать. Чтобы перейти в реальную плоскость, я для себя использовать прецизионный миливольтметр и снимал статистику работы измеряемой схемы по которой я смог реально понять температурный и временной дрейф схемы и определить алгоритм работы с ней.
ПС опорник лучше купить

[rudy_b]

Зависит от того, на что нагружены X3 и X4.

[SSerge]

Усиливайте и измеряйте напряжение между X2 и X3.
Инструментальный усилитель с высокоомными входами для этого в самый раз.
Думаю, AD8293G80BRJZ-R7($1.5 на digikey) Вас не разорит.

[iliusmaster]

Подключить источник тока величиной в 20 мА между х3 и х5. Напряжение питания источника тока 15В.
Ток втекает в точку в х3. Измерять напряжение между х2 и х5. Напряжение меняется от 4В до 4,36В. 360мВ на всю шкалу. Если этого недостаточно, то можно включить после х2 усилитель операционный со смещением на 4В. и усилением в 10 раз. Итого мы значительно увеличиваем точность измерения, потому как уже не ограничиваемся точностью и стабильностью встроенных стабилитронов, а сами строим источник тока с нужной нам точностью и стабильностью.
Схема представляет собой источник тока на оу с транзистором и усилитель постоянного тока на ОУ. Питание схемы +15В -15В. Источник опорного напряжения, транзистор и счетверенный ОУ. Качество применяемых деталей определится бюджетом.
Ну или можно соорудить мостовое включение резисторов.... Под него видимо это и проектировалось.

Сообщение отредактировал iliusmaster - May 21 2018, 09:50

[bravissimo]

Такой вопрос, а Вы уверены, что
1. Реальное разрешение потенца даст желаемую Вам точность, и не будет ли дискрет онного потенца больше чем разрешение ацп?
2. Откуда уверенность в востпроизводимости и точности характеристики потенциометра?
Имхо лучше 5 проц это будут только проволочные, у них дискрет прописан в ТУ. Воспроизводимость угловой характеристики... вообще то обычно около 20 проц, опять же относительно монотонности изменения сопротивления внутри угловой характеристики (для непроволочных в первую очередь). Может ведь и не прописываться в ТУ.
Для точных отсчетов - это специсполнение и будут стоить негуманно.
имхо Вам проще для каждого случая снять градуировочную характеристику, и ежели железо еще в работе тщательно подобрать тип потенциометра унд его режимы. Потому как переходное сопротивление там, шумы, тепловой дрейф...:-)
И да, стабильности стабилитрона 818 Е достаточно будет? Я к тому что Вам понадобится опора откуда нить рядом с потенцем.

Сообщение отредактировал bravissimo - May 21 2018, 09:51

[iliusmaster]

В этих схемах применялись ХОРОШИЕ МНОГООБОТНЫЕ переменные сопротивления, думаю такой в блоке уже и стоит.
В советском КФК- 3 монохроматор был реализован с обратной связью по положению с применением многооборотного сопротивления, отлично работал, пока микропроволочки не протирались)))

[Plain]

577мВ до 633 мВ, а хотелось бы ... от примерно нуля до примерно 5 В

Поближе к реальности:



Сообщение отредактировал Plain - May 21 2018, 10:59

[nicom]

До кучи.... мне нравятся инструментальные усилители INA333:

https://www.chipdip.ru/product/ina333aidgkt...suggest_product

Далее....
Вопрос- ...похоже, что Х3 - Х4 - это точки обратной связи операционного усилителя?
Тогда:

не инвертирующий вход операционного усилителя - Х2

инвертирующий вход - Х3

выход операционника - Х4

При крайних изменениях движка резистора R6 напряжение на выходе операционника будет изменяться примерно от минус 1,3В до плюс 2,2В (примерно); А этот диапазон уже легко "обмерить"....

...скорее всего R8 и R10 находятся в одинаковых условиях, что должно бы обеспечить приемлемую стабильность коэффициента усиления....

Но только в случае, что никто не подключен еще к этим же выводам.....

Что тут на самом деле подключено?

[VNS]

Задача в следующем: потенциометр отслеживает положение вала редуктора...
Может у кого-то будут более элегантные идеи?

Примените дискретный преобразователь угол поворота => код

[Сергей Борщ]

Ну смотрите, давайте для начала отбросим всякий дрейф потенциометра со временем, температурой и его гистерезисом при движении в разных направлениях и будем считать его "идеальным потенциометром".

Не, с потенциометром все очень хорошо. Как и с той частью схемы, которая находится в герметичном объеме. Я имел ввиду температурные дрейфы моей части схемы. Имел печальный опыт, когда классическая схема измерительного усилителя из операционника и четырех резисторов плавала от дуновения ветра над столом и просто косого взгляда. Или то была схема на двух ОУ?

Далее рассмотрим измерительную часть. У вас есть АЦП 14 бит (идеальный) это ~16300 значений. Теперь возьмем для этого АЦП опорное 2В, и получим 120мкВ одно значение. Таким образом для вашего диапазона 55мВ вы получите 450 значений. Для Вас это приемлемая точность? Нет, поставьте опорник на 1В, получите 900 значений.

"Маловато будет". На выходе редуктора висят две стрелки, за ход большой малая делает 12 оборотов. Хотелось получить точность позиционирования малой стрелки порядка 2 градусов, т.е. 360/2*12 = 2160 отсчетов АЦП минимум. Лучше больше, дабы программной калибровкой устранить разброс параметров схемы.

Зависит от того, на что нагружены X3 и X4.

Ни на что. Снаружи нет ничего, что подключим, тем и нагрузим.

Если этого недостаточно, то можно включить после х2 усилитель операционный со смещением на 4В. и усилением в 10 раз.

Вот со смещением у меня была сложность - никак не мог придумать как его красиво получить.

Такой вопрос, а Вы уверены, что
1. Реальное разрешение потенца даст желаемую Вам точность, и не будет ли дискрет онного потенца больше чем разрешение ацп?
2. Откуда уверенность в востпроизводимости и точности характеристики потенциометра?

Там хороший многооборотный проволочный потенциометр ППМФ. С другим аналогичным прибором, у которого наружу были выведены просто все три конца потенциометра, никаких проблем не возникло (этим прибором управляет ATmega88, потенциометр обмеряется внешним 14-битным АЦП последовательного приближения на рассыпухе - ШИМ от проца, счетверенное ОУ LM324, жмень резисторов/конденсаторов).

И да, стабильности стабилитрона 818 Е достаточно будет? Я к тому что Вам понадобится опора откуда нить рядом с потенцем.

Он там стоит внутри и много лет летал (и до сих пор летает) во многих экземплярах. Никто не жаловался.

Поближе к реальности:

Вот так вот просто? Вечером отмакетирую... Заранее спасибо, а если заработает - с меня пиво и хорошая компания

Вопрос- ...похоже, что Х3 - Х4 - это точки обратной связи операционного усилителя?

Там схема на транзисторах-трансформаторах, сам черт ногу сломит. Прикрепил внизу. Может вы разберетесь? Идея использовать эти резисторы как резисторы обвески операционного усилителя очень интересна, спасибо.

При крайних изменениях движка резистора R6 напряжение на выходе операционника будет изменяться примерно от минус 1,3В до плюс 2,2В (примерно); А этот диапазон уже легко "обмерить"....

Отрицательного напряжения у меня в схеме нет. Хорошо бы придумать, как без него и остаться.

...скорее всего R8 и R10 находятся в одинаковых условиях, что должно бы обеспечить приемлемую стабильность коэффициента усиления....
Но только в случае, что никто не подключен еще к этим же выводам.....

Нет, только выводы наружу прибора.

Примените дискретный преобразователь угол поворота => код

Увы, снаружи доступны только указанные выводы. Оба конца редуктора внутри герметичного объема.

Вот оригинальная схема включения, если кому-то интересно. У меня имеется в наличии только то, что в квадратике с надписью "Указатель УТ-7А". Резистор R13 имеет сопротивление 5.1 МОм, на него можно не обращать внимания.



P.S. Не ожидал такого большого количества ответов.

[Plain]

так вот просто?

Да, R4/R1 задают усиление (4500 мВ / 56 мВ), а R2/R3 ноль шкалы, но по-нормальному, для привязки к нулю надо переключать вход схемы между X2 и X3, каким-нибудь аналоговым ключом, например, 74LVC1G3157.

[_pv]

Думаю, AD8293G80BRJZ-R7($1.5 на digikey) Вас не разорит.

да за 1.5-2$ можно и внешний небыстрый сигма-дельта АЦП найти с встроенным PGA, а то и сразу с МК: MSP430I2020, MSP430F2003.

[Myron]

Да, R4/R1 задают усиление (4500 мВ / 56 мВ), а R2/R3 ноль шкалы, но по-нормальному, для привязки к нулю надо переключать вход схемы между X2 и X3, каким-нибудь аналоговым ключом, например, 74LVC1G3157.

Поясните, пожалуйста, что такое Х2 и Х3 у Вас.

[Plain]

Контакты схемы из первого сообщения темы.

[ikm]

Не, с потенциометром все очень хорошо. Как и с той частью схемы, которая находится в герметичном объеме. Я имел ввиду температурные дрейфы моей части схемы. Имел печальный опыт, когда классическая схема измерительного усилителя из операционника и четырех резисторов плавала от дуновения ветра над столом и просто косого взгляда. Или то была схема на двух ОУ?
"Маловато будет". На выходе редуктора висят две стрелки, за ход большой малая делает 12 оборотов. Хотелось получить точность позиционирования малой стрелки порядка 2 градусов, т.е. 360/2*12 = 2160 отсчетов АЦП минимум. Лучше больше, дабы программной калибровкой устранить разброс параметров схемы.

Если вы хотите получить 2000+ отсчётов на АЦП, значит в встроенного потенциометра должно быть как минимум 2000+ витков по которым ходит движок. Если их там нет, то и нет смысла ничего усиливать, так как шаг самого потенциометра больше. А то,что стрелка крутится, так вы сами написали что там редуктор, и он вполне легко может изменять передаточное число с необходимым отношением.

[rudy_b]

Ни на что. Снаружи нет ничего, что подключим, тем и нагрузим.

Это хорошо, но точно измерить положение потенциометра все равно не выйдет - напряжение на движке измерить несложно, но вы не знаете напряжений на его крайних выводах, а они могут плыть от температуры (напряжение на стабилитроне).

Единственно, что можно сделать - это положиться на стабильность резисторов R5,R7,R9 и самого потенциометра и измерять напряжение в точке X3 и разность напряжений X2-X3 (или просто X2). Зная сопротивления этих резисторов и напряжение в X3 можно рассчитать напряжения на крайних выводах потенциометра и, по напряжению X2, вычислить его положение.

В милливольтовом диапазоне проблем с дрейфом оперов давно нет. Можно измерять одним АЦП с мультиплексором, все измеряемые значения - относительны, а дрейф нуля пренебрежимо мал и может быть учтен и скорректирован измерением напряжения на общем проводе (3-тий канал измерения для мультиплексора - точка X5).

[Siv21]

Подаем напряжение к Х3, Х5. Получается делитель R8,R7,R9 и сигнал на R6 будет примерно 1/37 от питания.
Инструментальным ОУ измеряем напряжение между Х1 и Х2, опору ставим на измерительную землю. Если коэффициент усиления будет примерно 37, получим полный размах от поданного напряжения.

[=L.A.=]

Да, R4/R1 задают усиление (4500 мВ / 56 мВ), а R2/R3 ноль шкалы, но по-нормальному, для привязки к нулю надо переключать вход схемы между X2 и X3, каким-нибудь аналоговым ключом, например, 74LVC1G3157.

*
У вас в схеме ОУ применены, они же имеют 2 входа. Зачем что-то переключать, когда можно просто припаять второй вход к Х3?
И буферный усилитель при сопротивлении источника сигнала 1 кОм, как я думаю - излишество.

[Plain]

Вы правы, я тоже подумал и решил, помимо отказа от автообнуляемых ОУ, посоветовать добавить ещё одну xx3157 и RC — чтобы перекидывать вход схемы на ШИМ микроконтроллера и калибровать получившийся коэффициент усиления, а ещё одной RC и одним ШИМ подстраивать ноль, компенсировав все смещения, т.е. всей схемой можно в 20 рублей уложиться.

[=L.A.=]

Вы правы, я тоже подумал и решил, помимо отказа от автообнуляемых ОУ, посоветовать добавить ещё одну xx3157 и RC — чтобы перекидывать вход схемы на ШИМ микроконтроллера и калибровать получившийся коэффициент усиления, а ещё одной RC и одним ШИМ подстраивать ноль, компенсировав все смещения, т.е. всей схемой можно в 20 рублей уложиться.

*
Калибровать усиление лучше в цифре, а требования к аналоговой схеме и АЦП сильно зависят от качества потенциометра, о чем уже написал ранее коллега ikm.