Повышение точности измерения микровольтовых напряжений, Измерение напряжения с термопар дериватографа при пом. ADS1258 Опции

[glserg]

Добрый день,

Вопрос по схеме измерения микровольтовых напряжений при помощи высокоразрядного АЦП. Схема сделана по даташитам, но не обеспечивает требуемую точность.

Схема используется в проекте "дериватограф" для измерения напряжения с термопар.
Для оцифровки используется 24-разрядный АЦП ADS1258.

АЦП подключен согласно даташиту.


Схема формирования опорного напряжения взята из аппнота "ECG Implementation on the TMS320C5515 DSP Medical Development Kit" (устройство измерения ЭКГ), но убран операционный усилитель

используемая:


Общий вид платы:
разводка:


обратная сторона:



Схема и разводка в DipTrace прикреплены

При тестовом измерении напряжения (от батарейки, дифференциальное подключение) значение, выдаваемое с АЦП, плавает в пределах +- 200 мкВ, чего недостаточно.

АЦП теоретически способен обеспечить точность на уровне 1 мкВ.

Можно ли повысить точность измерения и если да - то каким образом?

Спасибо

Прикрепленные файлы

 Scheme.7z ( 17.19 килобайт ) Кол-во скачиваний: 21

 

[glserg]

Добрый день.

Вы пишете, что используемый АЦП "слишком быстрый".
Не могли бы вы посоветовать другой АЦП?

Требования к измерению следующие:
Диапазоны измерения -100..+100 мВ и -10..+10 мВ.
Погрешность измерения не более 5 мкВ, желательно 1 мкВ.
Общее количество каналов для измерения - 5.
Частота - не менее 100 Гц на канал.

Спасибо.

[Tanya]

Требования к измерению следующие:
Диапазоны измерения -100..+100 мВ и -10..+10 мВ.
Погрешность измерения не более 5 мкВ, желательно 1 мкВ.
Общее количество каналов для измерения - 5.
Частота - не менее 100 Гц на канал.

Спасибо.

Ну не знаю, зачем Вам такое быстродействие. Вот в более (бедных / медленных) родственниках, например, ADS1234 и подобных меньше потребление и среднеквадратичный шум.
Вот посмотрите характеристики серийных приборов HP (Aglent), Keithley etc. Можно в описании увидеть, как зависят разрядность и погрешность от скорости. Еще там можно прочесть, что параметры гарантируются после прогрева и при стабильной температуре в комнате. Там еще фильтры регулируемые.

[Stanislav]

Ну не знаю, зачем Вам такое быстродействие. Вот в более (бедных / медленных) родственниках, например, ADS1234 и подобных меньше потребление и среднеквадратичный шум.

Там нужно минимум 100 Гц на канал, уважаемая. А их ажно 16 штук быть может. За это данный АЦП и любят.
А вы что предлагаете?
Смотрю в книгу - вижу фигу называется.
Теоретики...

У вас дрейф из-за термо-эдс.

Правда?

Абсолютно все сделано неправильно.

Подскажите, как надо лучше.

Нужно переделывать печатную плату, корпус и входные разъемы.

Каким образом переделать предлагаете?

Там еще кроме батарейки есть резисторы на плате.

А точно есть? Внимательно смотрели?
Фото Автор темы выложил в первом же посте.

Странный выбор АЦП. Почему бы не взять более заточенный под термопары AD7792/93 со встроенным усилителем и и неплохой опорой?

А сколько у него входов?
И какая частота выборки на канал?

ЗЫ. Пропала тема... Бедный автор...

Сообщение отредактировал Stanislav - Jan 23 2014, 17:07

[_pv]

Странный выбор АЦП. Почему бы не взять более заточенный под термопары AD7792/93 со встроенным усилителем и и неплохой опорой?

А сколько у него входов?
И какая частота выборки на канал?

AD77xx медленные, а вот если AD7194, то входов столько же - 16se/8diff, 4.8ksps. при 4 выборках на установление фильтра скорость переключения каналов 1200Гц, если ТС надо 5 каналов, то вполне хватает.
а вот встроенный pga там очень даже неплохой, правда на максимальной частоте шумы АЦП заметно выше (непропорционально корню из полосы), но если поставить 2400sps и (по 100Гц на 6 каналов), то на шкале 150мВ собственные шумы АЦП будут <0.5мкв, при 20мв шкале еще раза в два поменьше.

[Tanya]

А сколько у него входов?
И какая частота выборки на канал?
AD77xx медленные, а вот если AD7194, то входов столько же - 16se/8diff, 4.8ksps. при 4 выборках на установление фильтра скорость переключения каналов 1200Гц, если ТС надо 5 каналов, то вполне хватает.
а вот встроенный pga там очень даже неплохой, правда на максимальной частоте шумы АЦП заметно выше (непропорционально корню из полосы), но если поставить 2400sps и (по 100Гц на 6 каналов), то на шкале 150мВ собственные шумы АЦП будут <0.5мкв, при 20мв шкале еще раза в два поменьше.

Не нужны автору такие быстрые - он заблуждается, как я думаю. Не могу себе представить термопарное измерение чего-либо с высокой точностью и скоростью. Бессмысленно это - температура по объему неоднородная. И уж точно лучше пять одноканальных, чем один с коммутатором.
Вот вспомнилось. Видела как-то раз "быстрый" дериватограф. Микротаблеточка лежит на термопаре. Типа - экспрессанализ. Но полная туфта и по чувствительности и по точности определения не только теплоты, но даже температуры фазового перехода. Перегретый маркетинг.

[_pv]

Не нужны автору такие быстрые - он заблуждается, как я думаю. Не могу себе представить термопарное измерение чего-либо с высокой точностью и скоростью. Бессмысленно это - температура по объему неоднородная. И уж точно лучше пять одноканальных, чем один с коммутатором.

быстрому АЦП всегда оверсэмплинг можно сделать побольше и превратить его в медленный, а вот наоборот как-то не очень.
и шумы у "быстрого" ad719x меньше чем у медленного asd1232 на одинаковаых скоростях.
а если измерения не быстрые, то АЦП со встроенным мультиплексором, который сам еще и каналы умеет перебирать, куда удобнее чем 5 одноканальных.
шумы конечно выше так как помимо перебора 5 каналов еще и ждать несколько выборок пока фильтр установится после каждого переключения, то есть по сравнению с одноканальным надо работать на частоте в 20 раз выше и поиметь соответственно в 4-5 раз больше шумов, но врядли у ТС точность упрётся в собственные шумы АЦП, так что одноканальные тут не лучше.

[Tanya]

но врядли у ТС точность упрётся в собственные шумы АЦП, так что одноканальные тут не лучше.

Вот Вы же тоже про фильтр и каналы пишете...
Цена и размеры тут играют самую последнюю роль - одноканальные лучше.
Вот ТС хочет 5 микровольт "точность". Это соответствует десятой градуса. Сколько времени нужно держать медицинский термометр подмышкой?

[_pv]

Вот Вы же тоже про фильтр и каналы пишете...
Цена и размеры тут играют самую последнюю роль - одноканальные лучше.

Нет, я имел ввиду что у быстрого АЦП даже при работе на в 20 раз более высокой частоте, из-за мультиплексора, собственные шумы всё равно настолько низкие что ТС они не помешают, так как абсолютная точность в ~1мкв будет определяться совсем не собственными шумами АЦП.
а раз хватает быстродействия и шумов зачем городить одноканальные АЦП, чтобы шумы еще уменьшить и получить десятки нВ шума на 100Гц? зачем ему столько?

[Tanya]

Нет, я имел ввиду что у быстрого АЦП даже при работе на в 20 раз более высокой частоте, из-за мультиплексора, собственные шумы всё равно настолько низкие что ТС они не помешают, так как абсолютная точность в ~1мкв будет определяться совсем не собственными шумами АЦП.
а раз хватает быстродействия и шумов зачем городить одноканальные АЦП, чтобы шумы еще уменьшить и получить десятки нВ шума на 100Гц? зачем ему столько?

Вот точно определить температуру фазового перехода нужно. Как можно более лучше.
Вот Вы, наверное, не в курсе, что бывают такие калориметры (дериватограф - это сканирующий калориметр), где тысячи термопар стоят последовательно. И измеряют все это малошумящим АЦП, а не тестером.

[_pv]

Вот точно определить температуру фазового перехода нужно. Как можно более лучше.

абсолютная точность скорее всего будет определяться не собственными шумами АЦП.
нужна соответствующая опора, да и микровольт довести до АЦП не испортив тоже не просто, если 200мкв как у ТС для термоэдсов проводов слишком много, то вот до мкв/градус просто два любых разных куска меди вполне могут дать.
то есть ТС его непонятные дрейфы в 200мкв победить конечно надо, но вот гоняться за нановольтами собственных шумов пожалуй не стоит. а для того чтобы получить заявленный 1 мкв особых ухищрений не надо, ради удобства от встроенного мультиплексора можно задрать частоту АЦП и пожертвовать немного шумами, пока они меньше требуемого 1 мкв.

Встроенным PGA не удастся воспользоваться.
В данном случае, Ку нужно поставить равным 1 для всех каналов.

почему не удастся? усилитель после мультиплексора.

ЗЫ. Да, опорник нужен не 2,5, а 4,5-5 вольт. Погрешности при этом меньше будут.

в свои киты для ad719x они на 2.5В опору ставят, но там он от вообще от USB питается так что наверное поэтому. линейности не проверял, но шумы не хуже чем в даташите написано.

glserg, при закороченном входе АЦП что показывает,
а если вместо батарейки свою же опору поделённую подать?

[Stanislav]

почему не удастся? усилитель после мультиплексора.

Правильно, после.
А нужно, чтоб стояли до.
Рядом с каждым датчиком. И имели дифф. выход.
Иначе о микровольтах не стоит даже и мечтать.
Встроенный PGA можно использовать только если источники расположены в непосредственной близости от АЦП.
Здесь, как я понял, всё не так.
Хотя, настаивать не буду.

в свои киты для ad719x они на 2.5В опору ставят, но там он от вообще от USB питается так что наверное поэтому. линейности не проверял, но шумы не хуже чем в даташите написано.

Поднимите опору до 5 вольт - и собственные шумы АЦП уменьшатся почти в 2 раза относительно полной шкалы.
В абсолютном значении они от опорного напряжения практически не зависят, следовательно, нужно выбирать его как можно выше.
Линейность также возрастает, но не пропорционально.

Здесь ещё момент.

Увеличение напряжения опоры приводит к увеличению вх. диапазона напряжений АЦП.
Следовательно, относительные потери на проводах от источников и контактах пропорционально уменьшаются.
Тот же механизм.

Сообщение отредактировал Stanislav - Jan 23 2014, 22:16

[_pv]

Правильно, после.
А нужно, чтоб стояли до.
Рядом с каждым датчиком. И имели дифф. выход.
Иначе о микровольтах не стоит даже и мечтать.
Встроенный PGA можно использовать только если источники расположены в непосредственной близости от АЦП.
Здесь, как я понял, всё не так.

что именно испортит встроенный усилитель? который еще и r-r буфером дополнительно отгорожен, в случае с ad719х.
или речь про то что сигнал надо усиливать как можно раньше и тащить уже усиленный сигнал.
так вот параметры у встроенного в ad7195 PGA: 5нв/С дрейф, 8 нВ/sqrt(Гц) шума, из того что можно было бы поставить перед этим ацп я нашел только усилитель ADA4528-1, у которого при сравнимых нулевых дрейфах шумы 6 нВ/sqrt(Гц). но там низкочастотные шумы еще аккуратно посмотреть надо.
то есть нужен ли предусилитель который будет шуметь больше АЦП еще вопрос, лучше АЦП поближе подтащить.
да и сами по себе длинные провода (в разумных пределах) микровольты не испортят.