Дешевое измерение сопротивления от 30ом до 300ком, Обругайте идею Опции

[kiltum]

Задача: необходимо неспешно измерить сопротивление, величина которого лежит в диапазоне от 30 до 300000 ом. Точность - 1% и ниже. Скорость - не важна абсолютно. Результат - в цифровом виде.

Предлагаемое решение, сверху вниз по предполагаемой схеме. Все управляется микроконтроллером "сбоку"

а) Управляемый источник напряжения. Цифровой резистор, два ОУ и полевик. На выходе можем получить 1-30В (примерно) с шагом около 0,1В (если взять резистор в 256 шагов). Через ОУ - на АЦП1 для контроля напряжения.

б) "Батарея" резисторов на сопротивление 30, 100, 1000 .... 200000, 300000 (сколько надо), соединенных параллельно. Каждый резистор "включается" в парралель с помощью полевого транзистора. Транзистор управляется микроконтроллером.

в) Само сопротивление, которое надо измерить.

Сбоку операционник в режиме повторителя напряжения/инвертирующего усилителя с изменяемой ОС (по необходимости) и АЦП2. подключен к получившемуся делителю напряжения из батареи резисторов и измеряемого.

Принцип измерения:

1. Ставим напряжение на 1в
2. "Подключаем" сопротивление на 30 ом путем открытия соответствующего полевика
3. Меряем напряжение с помощью АЦП2
4. Полученное 0 или около нуля? Переключаем на резистор номиналом повыше и/или напряжение повыше, пока не будет где-то "в середине".
5. Меряем, корректируем с учетом напряжения и включенного резистора.

Управляемый источник напряжения нужен, что бы убежать от ошибок, связанных с маленькими токами на больших номиналах и с большими токами на маленьких номиналах.

Компенсация неточности сопротивлений и внутренних сопротивлений транзисторов - в самом начале вместо резистора ставим перемычку или известный резистор и последовательно переключаем напряжение с блока питания и резисторы. По показаниям АЦП1, меряем напряжение и заносим полученное для корректировки в память МК.

По прикидкам, родного 12битного АЦП микроконтроллера хватит, что бы обеспечить 1% и замахнуться на 0,1%

Минусы - надо много ног микроконтроллера (но это можно решить регистром сдвига) и использование "лишнего" АЦП для контроля напряжения/калибровки.

[Plain]

Определяющий погрешность прибора эталон сопротивления, именуемый в простонародье "известным резистором", обычно тупо соединяется последовательно с измеряемым сопротивлением, образуя трёхвыводную схему, на которую подаётся любое приемлемое напряжение, после чего, потому что ток в последовательной цепи всегда одинаковый, напряжения на этих двух сопротивлениях всегда будут относиться друг к другу в точности как их сопротивления.

Итого, требуется всего лишь измерить три напряжения в трёх точках данной схемы, для чего, при требуемых диапазонах, 12-ти разрядов явно недостаточно. Дёшево увеличить разрядность такого АЦП можно посредством каскадирования его со сравнивающим АЦП, т.е. подмешиванием к сигналу пилообразного смещения (с перекрытием МЗР, т.е. порядка 1,5 МЗР) и усреднением полученных результатов — например, если микроконтроллер создал соответствующую пилу, на протяжении которой сделал 64 измерения, к разрешению АЦП добавится: log₂ 64 = 6 разрядов.

Поскольку входное сопротивление всех встроенных в современные микроконтроллеры АЦП порядка 1 кОм, буферный повторитель на ОУ с высокоомными входами неизбежен и уже имеется в бюджете проекта — остаётся лишь добавить к нему на выход сопротивление 10 Ом и подать на него пилообразный ток 100 мкА, в результате чего получится смещение (10 Ом · 100 мкА) = 1 мВ или (4096 · 1 мВ / 3 В) = 1,365 МЗР.

Кроме того, данный буферный усилитель не сможет повторить сигналы, равные потенциалам шин питания, если он питается от них же, а значит, двум крайним выводам измерительного делителя требуется немного отступить от обеих шин питания, что проще всего сделать добавлением последовательно по диоду с каждой стороны. То же самое и в отношении входного диапазона АЦП — бессмысленно было бы пытаться им что-то измерить на краях его шкалы. Также, все RR-усилители имеют естественный дефект в виде скачка напряжения смещения при переходе входа на противоположную диффпару — к примеру, у ОУ MCP6002 это происходит при входном синфазном напряжении примерно V_DD–1,2 В (Рис.2-5 паспорта), т.е. в 3-вольтовой схеме требуется либо запитать такую микросхему от 5 В, либо сделать отступ входного сигнала от верхней шины питания заведомо больше, т.е. добавить в измерительную последовательную входную цепь условно ещё один диод.

Источник пилообразного тока элементарно делается посредством ШИМ-ЦАП, т.е. фильтрации ШИМ-выхода микроконтроллера посредством ФНЧ на RC-цепочке, и типового преобразователя напряжение-ток, т.е. ОУ, транзистор и резистор, Поскольку минимальное напряжение, которое требуется измерять, ранее было ограничено отступом от потенциала общего провода на напряжение диода, т.е. порядка 500 мВ, то 3 В амплитуды с вывода ШИМ микроконтроллера требуется уменьшить дополнительным к резистору ФНЧ резистором до, к примеру, 100 мВ, т.е. в 30 раз, чтобы этот транзистор работал в линейном режиме, а резистор его датчика тока, соответственно, будет (100 мВ / 100 мкА) = 1 кОм.

Наконец, для коммутации трёх сигналов, а правильнее четырёх, т.е. настоящей четырёхпроводной схемы, поскольку измеряемое сопротивление обычно вынесено из подобных приборов 4-проводным кабелем произвольной длины, требуется аналоговый мультиплексор 4:1 с низкими токами утечки, т.е. ширпотреб 74HC4052 здесь не годится, а требуется что-то типа DG409LDY.

Итого, 14 руб. за сдвоенный ОУ MCP6002, 2 руб. за транзистор BSS138, 88 руб. за DG409LDY, по 1 руб. за BAS16, 8 руб. за эталон сопротивления RT0805BRD 3 кОм 0,1% 25 ppm — порядка 120 руб., в сумме с прочей мелочью и без учёта элементов защиты, или втрое дешевле, чем один 24-разрядный АЦП AD7799, тоже решивший бы эту задачу.