Двухполярный АЦП из однополярного Опции

[3mile]

собрал милливольтметр сигма-дельта типа на МСП430 по схеме slaa104 . теперь возник вопрос. В моей задаче напряжения двухполярные, тоесть могут быть в диапазоне -3 В ..+3 В. Как можно изменить схему для того чтобы сместить диапазон?

[rezident]

Вот вам готовая схема сдвига уровней.
Резистор RCAin не нужен, он на схеме просто иммитирует вход встроенного в MSP430 компаратора.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[3mile]

Вот вам готовая схема сдвига уровней.
Резистор RCAin не нужен, он на схеме просто иммитирует вход встроенного в MSP430 компаратора.

спасибо, есть над чем поразмышлять =))

Понимаю что много вопросов...
И все-таки, почему необходимо отделять буфером источник напряжения смещения? Я имею в виду случай когда нужно только смещать, скажем на 1в. вот та схема что у меня справа, где в ней ошибки?

Сообщение отредактировал 3mile - Aug 21 2008, 14:48

[rezident]

И все-таки, почему необходимо отделять буфером источник напряжения смещения?

Потому, что это источник напряжения. Идеальный источник напряжения имеет бесконечно малое сопротивление. Я поставил буфер на ОУ, чтобы устранить влияние сопротивлений делителя напряжения на потенциал в средней точке делителя. Можно конечно просто резисторы в этом делителе поставить низкоОмные, но тогда теряется смысл в низком потреблении остальных компонентов. А так, если взять Low-Power ОУ, то вся эта схема смещения будет потреблять не более 100 мкА.

Надо ли учитывать входное сопротивление компаратора в этой оценке?

В принципе учитывать нужно все, но у MSP430 входные токи компаратора не превышают токов утечки GPIO, т.е. не больше чем ±50нА. В данных условиях можно смело забить на них.

Но если исходить из того что у нас меняется сопротивление источника, то почему его не отделить буфером?

В моей схеме входное сопротивление определяется резистором R1. Если выходное сопротивление источника достаточно высокое (выше 1кОм), то входной буфер нужен обязательно (только питать его нужно от двуполярного напряжения). Я ведь изначально предлагал сделать всю схему на сдвоенном ОУ.

[3mile]

Потому, что это источник напряжения. Идеальный источник напряжения имеет бесконечно малое сопротивление. Я поставил буфер на ОУ, чтобы устранить влияние сопротивлений делителя напряжения на потенциал в средней точке делителя. Можно конечно просто резисторы в этом делителе поставить низкоОмные, но тогда теряется смысл в низком потреблении остальных компонентов. А так, если взять Low-Power ОУ, то вся эта схема смещения будет потреблять не более 100 мкА.
В принципе учитывать нужно все, но у MSP430 входные токи компаратора не превышают токов утечки GPIO, т.е. не больше чем ±50нА. В данных условиях можно смело забить на них.
В моей схеме входное сопротивление определяется резистором R1. Если выходное сопротивление источника достаточно высокое (выше 1кОм), то входной буфер нужен обязательно (только питать его нужно от двуполярного напряжения). Я ведь изначально предлагал сделать всю схему на сдвоенном ОУ.

Спасибо, очень доходчиво и конкретно.
Значит если я правильно понял, то все источники напряжения в которых будет изменятся выходное сопротивление (существенно относительно резисторов сумматора) лучше отделять буфером?
про сам входной буфер то это обязательно чтобы питание было двухполярным, или можно использовать рейл-ту-рейл с однополярным питанием?(в каталогах видел такие)

О, и еще по ходу, если я питать контроллер буду от ИОН-а то будет ли изменяться его выходное сопротивление в зависимости от состояния батарей, или еще от чего?

сопротивление определяется резистором R1

но оно то не 100кОм???
Да, я помню про сдвоенный, но ведь понять почему это гораздо лучше чем просто использовать готовое решение, особенно если совсем не понимаешь что к чему =))

[rezident]

Значит если я правильно понял, то все источники напряжения в которых будет изменятся выходное сопротивление (существенно относительно резисторов сумматора) лучше отделять буфером?

Не обязательно. ОУ в буферном включении ведь чем характеризуется: высокое входное сопротивление и сравнительно низкое выходное. Я сначала промоделировал вашу левую схему ( с 4-ми резисторами) и пришел к выводу, что там лучше поставить буфер. А вовсе не с потолка взял это решение.

про сам входной буфер то это обязательно чтобы питание было двухполярным, или можно использовать рейл-ту-рейл с однополярным питанием?(в каталогах видел такие)

Дык вы посмотрите datasheet любого ОУ, даже Rail-to-Rail. У подавляющего большинства из них "рельсы" проложены аккурат по питаниями. Диапазон входных (максимально допустимых!) напряжений от -0,3В ниже "нижнего" питания и +0,3В выше "верхнего" питания. Если вы запитаете ОУ от униполярного источника, то -3В прямо на вход вы подавать не сможете. Точнее подать-то можно, но работать не будет Либо придется использовать что-то типа инвертирующего включения и смещать прямо по входу. Ну и на выходе такой (униполярной) схемы вы чистый 0В тоже не получите, даже на самом супер-пуперском "рельсовом" ОУ. Я вам предложил решение, где суммирование на резисторах происходит, поэтому при -3В на входе, в точке суммирования токов получается нормальные 0В.

О, и еще по ходу, если я питать контроллер буду от ИОН-а то будет ли изменяться его выходное сопротивление в зависимости от состояния батарей, или еще от чего?

ВЫходное сопротивление ИОН меняться не должно, а вот Входное возможно. Какую опору собираетесь использовать?

[3mile]

Не обязательно. ОУ в буферном включении ведь чем характеризуется: высокое входное сопротивление и сравнительно низкое выходное. Я сначала промоделировал вашу левую схему ( с 4-ми резисторами) и пришел к выводу, что там лучше поставить буфер. А вовсе не с потолка взял это решение.
Дык вы посмотрите datasheet любого ОУ, даже Rail-to-Rail. У подавляющего большинства из них "рельсы" проложены аккурат по питаниями. Диапазон входных (максимально допустимых!) напряжений от -0,3В ниже "нижнего" питания и +0,3В выше "верхнего" питания. Если вы запитаете ОУ от униполярного источника, то -3В прямо на вход вы подавать не сможете. Точнее подать-то можно, но работать не будет Либо придется использовать что-то типа инвертирующего включения и смещать прямо по входу. Ну и на выходе такой (униполярной) схемы вы чистый 0В тоже не получите, даже на самом супер-пуперском "рельсовом" ОУ. Я вам предложил решение, где суммирование на резисторах происходит, поэтому при -3В на входе, в точке суммирования токов получается нормальные 0В.
ВЫходное сопротивление ИОН меняться не должно, а вот Входное возможно. Какую опору собираетесь использовать?

Точно, я и не заметил что это та левая схема =)) Тоесть получается что в Вашей схеме входное сопротивление будет (100к+51к+Rвых ОУ), и если выходное сопротивление буфера низкое то оно буде ок 150кОм? Не то что бы это было много или мало, но я не знаю с каим диапазоном выходных спротивлений источников я буду иметь дело, поэтому мне хотелось побольше=))
А правая схема нежизнеспособна, ну при условии конечно что будет стоять буфер на входе и на питании (или ИОН)? У меня такое чувство что входное сопротивление будет высоким.
Ну да это логично("рельсы" проложены аккурат по питаниями), что-то и у меня в голове такое крутилось. Все-таки сделаю двухполярное питание, тем-более что ЖКИ тоже его требует. ну и для ОУ питание тоже требуется стабилизировать максимально как я понимаю.
Кстати про ОУ, мне нужен Рельсовый, с двухполярным питанием, и сдвигом ноля меньше 1мВ, да еще и малопотребляющий. На сайте maxim-ic.com (ну это к примеру) таких совсем немного (я нашел только два) и они у нас не продаются. Как бы с такой ситуацией быть? может я слишком много требую??
ИОН. я не думал об этом, на скорую рукуесли, то получается что на напряжение 3В, с точностью 1мВ (0,03%) то тоже выбор небольшой, всеаки "Ultra-High-Precision" или тоже перебор с требованиями??

[rezident]

и если выходное сопротивление буфера низкое то оно буде ок 150кОм?

Около этого. Но при условии, что выходной сигнал не выйдет из диапазона -3В...+5В. Иначе защитные диоды MSP430 приоткроются и сопротивление до 100кОм упадет.

А правая схема нежизнеспособна, ну при условии конечно что будет стоять буфер на входе и на питании (или ИОН)? У меня такое чувство что входное сопротивление будет высоким.

Эта схема на двух резисторах не позволяет эффективно использовать весь рабочий диапазон входных напряжений вашего сигма-дельта АЦП. Сами догадаетесь почему?

Кстати про ОУ, мне нужен Рельсовый, с двухполярным питанием, и сдвигом ноля меньше 1мВ, да еще и малопотребляющий. На сайте maxim-ic.com (ну это к примеру) таких совсем немного (я нашел только два) и они у нас не продаются. Как бы с такой ситуацией быть? может я слишком много требую??

А почему вы ограничиваете поиск только сайтом Maxim? ОУ производят многие фирмы: National Semiconductor, Texas Instruments, Analog Devices, Liner Technology, Microchip и т.д. У всех них параметрический поиск на сайтах имеется. Или вот, например, параметрический поиск прямо на сайте продавца Терраэлектроника.

ИОН. я не думал об этом, на скорую рукуесли, то получается что на напряжение 3В, с точностью 1мВ (0,03%) то тоже выбор небольшой, всеаки "Ultra-High-Precision" или тоже перебор с требованиями??

Опять же смотрите не только на сайте Maxim, но еще и у вышеперечисленных производителей. Если у вас батарейное питание от 3В, то ИОН нужен на 2,5В. Если 3,6В/3,7В, то наверное можно и 3В. Но по-моему ИОН на 2,5В более распространены.
Насчет начальной точности ИОН. Какую точность измерения вы хотите получить? Только при ответе на этот вопрос не нужно разрешение АЦП путать с точностью измерения. Потому, что если вы захотите получить относительную погрешность измерения не хуже 1мВ на входе устройства, да еще и, например, для всего температурного диапазона Industrial (-40єC...+85єC), то ИОН вам потребуется со стабильностью не хуже (2В-0В)/(3В-(-3В)*1мВ /(85єC-(-40єC))=2,66мкВ/єC или (для REF=2.5В) ±1ppm/єC. А вот это будет уже действительно большо-о-ой проблемой.

[3mile]

Около этого. Но при условии, что выходной сигнал не выйдет из диапазона -3В...+5В. Иначе защитные диоды MSP430 приоткроются и сопротивление до 100кОм упадет.
Эта схема на двух резисторах не позволяет эффективно использовать весь рабочий диапазон входных напряжений вашего сигма-дельта АЦП. Сами догадаетесь почему?
А почему вы ограничиваете поиск только сайтом Maxim? ОУ производят многие фирмы: National Semiconductor, Texas Instruments, Analog Devices, Liner Technology, Microchip и т.д. У всех них параметрический поиск на сайтах имеется. Или вот, например, параметрический поиск прямо на сайте продавца Терраэлектроника.
Опять же смотрите не только на сайте Maxim, но еще и у вышеперечисленных производителей. Если у вас батарейное питание от 3В, то ИОН нужен на 2,5В. Если 3,6В/3,7В, то наверное можно и 3В. Но по-моему ИОН на 2,5В более распространены.
Насчет начальной точности ИОН. Какую точность измерения вы хотите получить? Только при ответе на этот вопрос не нужно разрешение АЦП путать с точностью измерения. Потому, что если вы захотите получить относительную погрешность измерения не хуже 1мВ на входе устройства, да еще и, например, для всего температурного диапазона Industrial (-40єC...+85єC), то ИОН вам потребуется со стабильностью не хуже (2В-0В)/(3В-(-3В)*1мВ /(85єC-(-40єC))=2,66мкВ/єC или (для REF=2.5В) ±1ppm/єC. А вот это будет уже действительно большо-о-ой проблемой.

Защитные диоды??? не знал про такую подробность... Это чем-то чревато, ну кроме того что они откроются?
Вот если догадываться, то как-то неочень получается. А вот если смоделировать (кстати, а вы чем моделировали?), то становится ясно, что получается только сдвиг, никакого деления не получается (правда, если поставить вместо non-ideal-battary просто dc-power, то получается промасштабировать "снизу" тоесть так как я и хотел. Для меня это явление остается загадкой)

Ну да, я понимаю что есть другие производители, это просто был поиск наскорую руку у поставщика с которым мне было удобно работать=))

Точность. Это большой вопрос, вот кабы только мне работать с этим прибором, то я бы не парился по этому поводу, поскольку прибор играет больше индикативную роль, тоесть важна не точность или чувствительность, а фиксация изменений, а там уже и величины на порядок больше. Но, кроме меня тоже есть потребитель, поэтому хотелось бы...
Посмотрев на аналогичный прибор,я нашел что у него точность 0,5% , тоесть видимо она заявлена исходя из их опорника(??).

Около этого. Но при условии, что выходной сигнал не выйдет из диапазона -3В...+5В. Иначе защитные диоды MSP430 приоткроются и сопротивление до 100кОм упадет.
Эта схема на двух резисторах не позволяет эффективно использовать весь рабочий диапазон входных напряжений вашего сигма-дельта АЦП. Сами догадаетесь почему?
А почему вы ограничиваете поиск только сайтом Maxim? ОУ производят многие фирмы: National Semiconductor, Texas Instruments, Analog Devices, Liner Technology, Microchip и т.д. У всех них параметрический поиск на сайтах имеется. Или вот, например, параметрический поиск прямо на сайте продавца Терраэлектроника.
Опять же смотрите не только на сайте Maxim, но еще и у вышеперечисленных производителей. Если у вас батарейное питание от 3В, то ИОН нужен на 2,5В. Если 3,6В/3,7В, то наверное можно и 3В. Но по-моему ИОН на 2,5В более распространены.
Насчет начальной точности ИОН. Какую точность измерения вы хотите получить? Только при ответе на этот вопрос не нужно разрешение АЦП путать с точностью измерения. Потому, что если вы захотите получить относительную погрешность измерения не хуже 1мВ на входе устройства, да еще и, например, для всего температурного диапазона Industrial (-40єC...+85єC), то ИОН вам потребуется со стабильностью не хуже (2В-0В)/(3В-(-3В)*1мВ /(85єC-(-40єC))=2,66мкВ/єC или (для REF=2.5В) ±1ppm/єC. А вот это будет уже действительно большо-о-ой проблемой.

Защитные диоды??? не знал про такую подробность... Это чем-то чревато, ну кроме того что они откроются?
Вот если догадываться, то как-то неочень получается. А вот если смоделировать (кстати, а вы чем моделировали?), то становится ясно, что получается только сдвиг, никакого деления не получается (правда, если поставить вместо non-ideal-battary просто dc-power, то получается промасштабировать "снизу" тоесть так как я и хотел. Для меня это явление остается загадкой)

Ну да, я понимаю что есть другие производители, это просто был поиск наскорую руку у поставщика с которым мне было удобно работать=))

Точность. Это большой вопрос, вот кабы только мне работать с этим прибором, то я бы не парился по этому поводу, поскольку прибор играет больше индикативную роль, тоесть важна не точность или чувствительность, а фиксация изменений, а там уже и величины на порядок больше. Но, кроме меня тоже есть потребитель, поэтому хотелось бы...
Посмотрев на аналогичный прибор,я нашел что у него точность 0,5% , тоесть видимо она заявлена исходя из их опорника(??).

Сообщение отредактировал 3mile - Aug 24 2008, 08:39

Эскизы прикрепленных изображений

 

[rezident]

Защитные диоды??? не знал про такую подробность... Это чем-то чревато, ну кроме того что они откроются?

Во-первых, чревато тем, что измерение будет неверным (нелинейная шкала преобразования выходит). Во-вторых, входной ток будет суммироваться (с учетом знака напряжения) с выходным током вашего ИОН, от которого питается MSP430, повышая/понижая это напряжение питания.

Вот если догадываться, то как-то неочень получается. А вот если смоделировать (кстати, а вы чем моделировали?), то становится ясно, что получается только сдвиг, никакого деления не получается (правда, если поставить вместо non-ideal-battary просто dc-power, то получается промасштабировать "снизу" тоесть так как я и хотел. Для меня это явление остается загадкой)

Я моделировал с помощью MicroCap8. В случае с двумя резисторами происходит одновременно и сдвиг уровня и уменьшение амплитуды (деление). Но поскольку "сдвигающий потенциал" равен питанию, то входной сигнал получается слишком сдвинут выше нуля, либо имеет малую амплитуду. Еще раз повторяю, что рабочий диапазон входных напряжений (при условии линейного преобразования) для вашего АЦП 0В...2В при питании 3В (верхняя рельса встроенного компаратора Vcc-1V). Но даже и после требуемого масштабирования он будет составлять 2/3 от полной разрядности АЦП, т.к. опора на 1/3 выше "верхнего" допустимого значения входного напряжения.

Точность. Это большой вопрос, вот кабы только мне работать с этим прибором, то я бы не парился по этому поводу, поскольку прибор играет больше индикативную роль, тоесть важна не точность или чувствительность, а фиксация изменений, а там уже и величины на порядок больше. Но, кроме меня тоже есть потребитель, поэтому хотелось бы...
Посмотрев на аналогичный прибор,я нашел что у него точность 0,5% , тоесть видимо она заявлена исходя из их опорника(??).

Что означает это число? Относительную погрешность или относительную приведенную (основную и/или дополнительную)? Обычно указывают основную относительную приведенную (приведенную к диапазону изменения входного параметра) погрешность прибора. В таком случае в численном выражении она получается (3В-(-3В))*0,5%/100%=30мВ. Вы хотите существенно (на полтора порядка) увеличить точность прибора?

[3mile]

Во-первых, чревато тем, что измерение будет неверным (нелинейная шкала преобразования выходит). Во-вторых, входной ток будет суммироваться (с учетом знака напряжения) с выходным током вашего ИОН, от которого питается MSP430, повышая/понижая это напряжение питания.
Я моделировал с помощью MicroCap8. В случае с двумя резисторами происходит одновременно и сдвиг уровня и уменьшение амплитуды (деление). Но поскольку "сдвигающий потенциал" равен питанию, то входной сигнал получается слишком сдвинут выше нуля, либо имеет малую амплитуду. Еще раз повторяю, что рабочий диапазон входных напряжений (при условии линейного преобразования) для вашего АЦП 0В...2В при питании 3В (верхняя рельса встроенного компаратора Vcc-1V). Но даже и после требуемого масштабирования он будет составлять 2/3 от полной разрядности АЦП, т.к. опора на 1/3 выше "верхнего" допустимого значения входного напряжения.
Что означает это число? Относительную погрешность или относительную приведенную (основную и/или дополнительную)? Обычно указывают основную относительную приведенную (приведенную к диапазону изменения входного параметра) погрешность прибора. В таком случае в численном выражении она получается (3В-(-3В))*0,5%/100%=30мВ. Вы хотите существенно (на полтора порядка) увеличить точность прибора?

Про диоды ясно.
Про резисторы тоже, был бы внимательней, то сам бы зметил что сверху слишком много.

с сайта производителя:
диапазон измеряемой разности потенциалов, В
±0,001–±10 (канал1);
±0,001–±1 (канал2)
предел допускаемых значений основной погрешности измерений, не более, % 0,5
входное сопротивление, МОм, не менее 20
Другой прибор с такими же диапазонами:
Погрешность измерения в каждом из диапозонов не более -- + 0,2 % от максимального значения диапозона;
Так что это наверное как-раз то о чем Вы говорите. Но, что-то как-то не очень у меня укладывается, измерять скажм 2мВ с погрешностью 10мВ на одном канале и 100мВ на другом...
А ведь в процессе работы на это никто не обращал внимания. принималось что вот на 1 мВ меньше чем 30мВ и уже точка исключалась. а оказывается опгрешность то 10мВ.

Вы хотите существенно (на полтора порядка) увеличить точность прибора?

есть ли в этом смысл?

[rezident]

Погрешность измерения в каждом из диапозонов не более -- + 0,2 % от максимального значения диапозона;

Ну да это и есть относительная приведенная погрешность. Правда неизвестно основная или основная+дополнительная? Дополнительная погрешность возникает, например, при изменении температуры.

Так что это наверное как-раз то о чем Вы говорите. Но, что-то как-то не очень у меня укладывается, измерять скажм 2мВ с погрешностью 10мВ на одном канале и 100мВ на другом...
А ведь в процессе работы на это никто не обращал внимания. принималось что вот на 1 мВ меньше чем 30мВ и уже точка исключалась. а оказывается опгрешность то 10мВ.

Ну не все так уж сумрачно Приводят относительную приведенную погрешность, а не относительную потому, что относительная зависит от величины входного параметра. Допустим АЦП у вас с шагом дискретизации 1мВ. Тогда сигнал 1В вы им измеряете с относительной погрешностью 0,001В/1В*100%=0,1%, а сигнал 0,1мВ с относительной погрешностью 0,001В/0,1В*100%=1%. Поэтому и приводят относительную погрешность к величине всего входного диапазона.
Судя по приведенным цифрам входного диапазона (1:10000), в приборе должен применяться АЦП с разрядностью не менее 16. А реально скорее всего 20-24-разрядный. Сделать сигма-дельта АЦП с такой разрядностью на компараторе MSP430 по-моему не очень реально. Хотя у вас диапазон поуже, может что-то и получится.