RTD и AD7718 - входные токи по REF Опции

[maharaj]

Делаю измерение температуры на платиновых RTD и АЦП AD7718. Два канала. Задействуются две пары входов (два дифф. входа) и еще пара REF2. Остальные входы АЦП и REF1 заняты для других измерений.

Собирался делать схем на основе типовой ратиометрической (например, как тут - двухканальная схема). Но обнаружился один нюанс и возникли сомнения. Подробнее опишу ситуацию и расчеты, потом задам вопрос.

Требуется довольно приличная точность измерений - 0.1 С. Так что выбраны датчики с бОльшим сопротивлением (1К), чтобы снизить влияние самонагрева. Рабочий ток 100-150 мкА.

Но у AD7718 довольно большой ток по входам REF (как и у других родственных АЦП AD77xx, для которых этот параметр вообще указан) - 0.5 мкА/В. На этом входе должно быть не менее 1 В, с запасом и для удобной шкалы - 2 В. Так что ток получается порядка 1 мкА - это лишь в 100 раз меньше тока через RTD.

Вопрос, как это может влиять на точность измерений. Температурный дрейф там очень мал (0.01 нА/В/С), но в целом про этот вход написано, что потребляемый ток меняется ("input impedance of each reference input is dynamic", стр. 33 дэйташита). Изменение этого тока на 1/10, то есть на 0.1 мкА, даст ошибку в измерениях в 0.25 С.

Если же этот ток не меняется (или меняется менее, чем на 1%), его влияние учтется при калибровке и не будет заметно.

Но! Я хочу использовать схему для двух каналов - два RTD последовательно. Но реально может быть подключен только один датчик. Тогда второй вход достаточно замкнуть. Рабочий ток несколько изменится, но ратиометрические измерения не чувствительны к этому. Если только нет добавочного тока, а он как есть - этот самый входной ток референсного входа!

При замыкании одного входа ток изменится 2-3%. Калибровка разбалансируется на такую же величину и получится ошибка, которая может превышать 0.1 С. То есть калибровка будет зависеть от того, включен один датичик или два (и вообще - датчики начинают влиять друг на друга). Калибровать на оба варианта - нереально.

Вторая проблема: напряжение на вход REF приходит с довольно большого сопротивления (10-15К). В дэйташите (та же стр. 33) говорится, что в таких случаях _не рекомендуется_ подключение конденсаторов между входами REF. Но датчики у нас выносные, провода до 3-5 м, среда не самая плохая в смысле электромагнитных помех, но все же - кабелей и приборов вокруг множество. Совсем без фильтрации по входу - боюсь могут быть проблемы с наводками...

И вообще - не вполне ясно, как влияет такое сопротивление по входу REF на работу АЦП и точность измерений.


Так вот вопрос - что с этим делать:
1) Замыкать вход второго датчика не накоротко, а аналогичным сопротивлением (1К), или же как-то иначе обеспечить малое изменение тока. (Но проблема помех остается.)

2) Поставить перед входом REF добавочный буферный повторитель с низким выходным сопротивлением (а перед ним можно уже сделать фильтрацию). Референсный резистор в указанноый выше схеме поставить в другое место - вниз, под датчики, на землю - тогда нужен только один повторитель перед REF(+), а REF(-) и нижний конец резистора сидят на земле.

3) Отказаться от готовой ратиометрии и измерять отдельно два напряжения - на датчике и потом на референсном резисторе - входы AIN очень высокоомные, токи не более 1 нА, описанных выше проблем не будет. Но нужно будет обеспечить малошумность тока, чтобы он не менялся между последовательными измерениями (вроде не сложно).
В этом варианте придется делить числа программно, в микроконтроллере.

4) Забить и сделать по-простому, авось проканает. Этот вариант мне почему-то нравится менее всего.

[Herz]

Поставить буфер можно. Хотя, конечно, ставить лишний элемент не особо хочется.

Почему? Дорого? Места не хватает?

2 Herz
Перемычки не помогут - если без буфера, то нельзя ставить фильтры от РЧ-помех. А если поставить и измерить с буфером, в реальных условиях, то потом уже без буфера не обойтись - не отпаивать же конденсаторы фильтра?

Не понял, почему нельзя? И чем Вас так заботят РЧ-помехи? В Вашем-то медленном устройстве?

Экономить? Ничего не собираюсь. Наоборот - хочу сделать плату с большим запасом и избыточностью. Так как никто пока точно не знает, что именно понадобится в итоге. Делаем устройство для себя, в одном экземпляре - какая уж тут экономия.

Так что ж тогда за боязнь лишнего элемента? Будь то точного резистора, ОУ или даже АЦП? По принципу: чем проще, тем надёжнее? Или просто не умеем с ними работать?

И опять я долго смеялся. Резистор стоит 1 (прописью: "один") доллар. Пока я тут трачу время на не очень содержательные беседы с Вами, стоимость этого моего рабочего времени многократно больше цены резистора или десятка резисторов.

Ой, и только не говорите мне, что надо на каждый датчик взять свой АЦП. Это уже будет даже не смешно.

Таня, нужно и меру знать. Действительно уже не смешно.

Да конечно можно! Вот кипятильник работет с большим нагревом и как хорошо работает!

То есть моделей Вы не знаете. Почему-то я не удивлен.

А Вы, батенька, хамоват.

Флаг Вам в руки - вот в своих разработках Вы и будете использовать хоть 10-битные, хоть 8-битные АЦП, хоть 4-битные. Что Вы там намеряете - Ваше дело. Я же глупостями заниматься не собираюсь. И разговоры на таком уровне мне также неинтересны.

Тогда Вы не по адресу. Буду удивлён, если кто-то здесь захочет общаться с Вами на таком уровне. Советую не тратить своё драгоценнейшее время и больше подобных вопросов не задавать. Раз Вы и так всё знаете лучше.

[maharaj]

>Поставить буфер можно. Хотя, конечно, ставить лишний элемент не особо хочется.
Почему? Дорого? Места не хватает?

Места, конечно, не очень много... Тут даже дело не вообще месте на плате, а в том, что все эти входные цепи надо по возможности делать компактными. Цена элемента, как я уже говорил, роли не играет. Изделие не серийное, экономить тут смешно.

Поставить буфер можно. Если оно нужно. А это пока не вполне ясно. Хотя, склоняюсь к тому, что придется поставить - какой-нибудь зеродрифт ОУ с малыми входными токами.

Не понял, почему нельзя?

Нельзя, потому что если уже впаяны конденсаторы фильтров, то нельзя напрямую на вход REF. Об этом ясно сказано в дэйташите:

Because the input impedance of each reference input is dynamic, resistor/capacitor combinations on these inputs
can cause dc gain errors, depending on the output impedance of the source that is driving the reference inputs. ...
Deriving the reference input voltage across an external resistor will mean that the reference input sees a significant external source impedance. External decoupling on the REFIN(+) and REFIN(–) pins would not be recommended in this type configuration.

И чем Вас так заботят РЧ-помехи? В Вашем-то медленном устройстве?

Устройство не просто медленное, а я бы сказал "сильно небыстрое". Скорость измерений - разы в секунду.
Собственно, вся серия AD77, как и другие аналогичные АЦП, специально спроектирована так, что в цифре давит сетевые помехи (гармоники 50 Гц). Но то НЧ помехи. А вот РЧ - к ним, как ни странно, низкочастотные устройства часто оказываются даже более чувствительны, чем к высокочастотные. Просто потому, что активные элементы на частотах помех уже не работают, а сами помехи детектируются на нелинейностях (и полупроводниковых, и даже просто на контактах) и могут давать в результате помехи уже вполне себе НЧ, в полосе прибора. И могут получиться ошибки с уровнями вплоть до мВ. А измерять надо до единиц мкВ. Так что нужно ставить фильтры по входам. Что, в частности, сказано и в дэйташитах.

Так что ж тогда за боязнь лишнего элемента? Будь то точного резистора, ОУ или даже АЦП? По принципу: чем проще, тем надёжнее? Или просто не умеем с ними работать?

Ну-ну... Что это за такие необоснованные подозрения?
Боязни нет. Но если не относиться к этому строго и просто так добавлять в схему одно, другое, третье - получится монстр, который работать не будет.
Что касается точных резисторов - видели бы Вы, сколько их у меня в аналоговом тракте измерений, в усилителе сигналов детекторов (это уже не температура, а собственно то, что измеряется в эксперименте). Десятки. Но там они действительно необходимы.
И даже АЦП. Если надо - поставлю два. Но ставить по АЦП на каждый вход (которых минимум 7-8) - это, согласитесь, неразумно.

А Вы, батенька, хамоват... Раз Вы и так всё знаете лучше.

Если бы я знал все - не спрашивал бы тут совета.
Конечно, глупости в репликах можно просто игнорировать. С другой стороны, когда я читаю тред на какую-то тему, в которой плохо разбираюсь, там тоже нередко кто-то из участников пишет что-то, скажем мягко, не вполне правильное. И если другие участники просто игнорируют эти сообщения - новичку непонятно, так оно или нет. Это гуманитарный аспект.
Что до моего тона, который Вас задел, то это напрасно. Я писал вполне дружелюбно, иронизируя. Если бы я всерьез называл все своими именами - это выглядело бы намного жестче.

Сообщение отредактировал maharaj - Oct 16 2009, 18:00

[Herz]

...
Если бы я знал все - не спрашивал бы тут совета.
...
Это гуманитарный аспект.
...
Если бы я всерьез называл все своими именами - это выглядело бы намного жестче.

Так Вы сюда за советом пришли или с гуманитарной миссией?
По-моему, следовало бы с уважением (если уж не с благодарностью) относиться к тем, кто пытается Вам помочь А в том, на что указывала Tanya, есть немало рационального - жаль, что Вы не захотели этого заметить. Но даже если некоторые из полученных Вами советов по каким-то причинам неприемлемы, возмущаться отнятым у Вас временем и называть их глупостью.... По меньшей мере, неприлично.

Что касается конденсаторов фильтра и рекомендаций, процитированных Вами из DS. Ставить конденсаторы для защиты от помех именно на референсные входы в ратиометрической схеме просто нелогично. Кроме того, не думаю, что "мелкие" емкости от RF-помех "can cause dc gain errors", что может заботить Вас в "медленной" схеме. К тому же, стоило бы оценить реальное влияние ВЧ-шума на погрешность измерений в рабочей полосе. Вполне может оказаться, что не так страшен чёрт, когда он "размазан"...
А по большому счёту, дискуссия на эту тему выеденного яйца, как говорится... Ставьте уже буфер и забудьте о проблеме.

И даже АЦП. Если надо - поставлю два. Но ставить по АЦП на каждый вход (которых минимум 7-8) - это, согласитесь, неразумно.

Зависит от того, что есть критерий разумности. Абсолютной крамолы я и в этом варианте не вижу. Что важнее в Вашем случае: результат или путь к нему?
Надеюсь, не злоупотребил Вашим временем...

[maharaj]

По-моему, следовало бы с уважением (если уж не с благодарностью) относиться к тем, кто пытается Вам помочь А в том, на что указывала Tanya, есть немало рационального - жаль, что Вы не захотели этого заметить. Но даже если некоторые из полученных Вами советов по каким-то причинам неприемлемы, возмущаться отнятым у Вас временем и называть их глупостью.... По меньшей мере, неприлично.

Я отношусь в благодарностью к тем, кто пытается мне помочь.
Однако это не относится к случаям, когда кто-то просто развлекается. В советах вроде того, что требования к точности должны быть не хуже 1/1000 градуса или что тут можно использовать 10 битный АЦП МК, нет ничего рационального. По сути это не советы, а либо действительно непроходимая глупость, либо издевательство.

Что касается конденсаторов фильтра и рекомендаций, процитированных Вами из DS. Ставить конденсаторы для защиты от помех именно на референсные входы в ратиометрической схеме просто нелогично.

Напротив: именно при ратиометрии это как раз логично. Одно дело когда референс - это локальный опорник (при абсолютных измерениях), а совсем другое, когда к нему идет многометровый внешний провод от датчика.

Кроме того, не думаю, что "мелкие" емкости от RF-помех "can cause dc gain errors", что может заботить Вас в "медленной" схеме.

"Не думаю" - не выглядит как достаточно веский аргумент. Хотелось бы какие-то цифры. А с этим проблемы - в документации нет никаких численных данных о влиянии емкостей. Или вы знаете цифры? Тогда не молчите, скажите!

На самом деле емкости все же не такие уж мелкие - обычно в таких местах ставят единицы нФ. А какую ошибку это может дать - непонятно. Но мне кажется вполне реальной опасность получить заметную ошибку.

Как раз недавно смотрел ДШ на зеродрифт ОУ LMP2021. Там говорится о том, что входной ток зависит от емкости на входе. А все потому, что там на входе ключи - коммутация для создания этого самого зеродрифта, все время тикает. И графики приведены. Добавление 20 пФ меняет ток на 20 пА. И также графики для аналогов от конкурентов - там при той же емкости ток раза в два выше. Теперь вместо 20 пФ ставим 2000 пФ (для фильтра) и частота коммутации у нас не около 1КГц, как в зеродрифтах, а МГцы. И что будет с токами? Может там вместо 20 пА получиться не один десяток нА? ИМХО, вполне может.

К тому же, стоило бы оценить реальное влияние ВЧ-шума на погрешность измерений в рабочей полосе. Вполне может оказаться, что не так страшен чёрт, когда он "размазан"...

Это сделать не так просто. Например, недалеко от прибора стоит усилитель, с которого ВЧ сигнал по коаксиалу идет на модулятор (акустооптика). И коаксиал этот идет рядом с кабелем к термодатчикам. Ну да, кабель возьмем экранированный. И коаксиал "светить" наружу не должен. И генератор/усилитель/модулятор экранированы. А все же там 60-80 МГц и до 5 Вт мощности. Переменной. И как оценить влияние? Ну да, прямой путь - сделать и измерить. Но в установку добавляется то одно, то другое. Все варианты заранее не измерить. И переделывать потом уже возможности не будет. Что отсюда следует: что нужно делать заранее с многократным запасом. Чтобы ВЧ-помехи на вход АЦП гарантированно не попадали.

А по большому счёту, дискуссия на эту тему выеденного яйца, как говорится... Ставьте уже буфер и забудьте о проблеме.

Зачем так нервничаете и торопитесь? Я же уже написал, что склоняюсь к тому, чтобы так и сделать.
Скоре всего поставлю. Но не ранее, чем учту все проблемы и возможности.

>Но ставить по АЦП на каждый вход (которых минимум 7-8) - это, согласитесь, неразумно.
Зависит от того, что есть критерий разумности. Абсолютной крамолы я и в этом варианте не вижу. Что важнее в Вашем случае: результат или путь к нему?

Для меня важен результат. Но, как Вы понимаете, не всякий путь приводит к нужному результату.

И вообще все зависит от задачи. Если требуется быстрая и синхронная оцифровка, тогда да - по АЦП на вход, иначе никак. Там это не просто разумно, но неизбежно.
Но для измерений температуры это неразумно, а кроме того в нашем случае просто нарушит одно из требований к устройству - входы получатся неравнозначными, то есть при перестановке датчика на другой вход потребуется перекалибровка.

[Herz]

Напротив: именно при ратиометрии это как раз логично. Одно дело когда референс - это локальный опорник (при абсолютных измерениях), а совсем другое, когда к нему идет многометровый внешний провод от датчика.

Не соглашусь. Преимущество ратиометрической схемы именно в её дифференциальности. Применяя же "выборочное" фильтрование, Вы лишаете её этого качества.

Как раз недавно смотрел ДШ на зеродрифт ОУ LMP2021.

Зачем Вам "зеродрифт"? Возьмите "конвенциональный" хороший ОУ.

Зачем так нервничаете и торопитесь? Я же уже написал, что склоняюсь к тому, чтобы так и сделать.
Скоре всего поставлю. Но не ранее, чем учту все проблемы и возможности.

Вам показалось. Опять. Воля Ваша, можете учитывать хоть влияние глобального потепления на работу Вашего термометра, но я не вижу, чем бы Вам грозил дополнительный буфер... Похоже на слона из мухи.

[maharaj]

Не соглашусь. Преимущество ратиометрической схемы именно в её дифференциальности. Применяя же "выборочное" фильтрование, Вы лишаете её этого качества.

Пардон! Дифференциальная - значит "разностная". А "ратиометрия" - измерения отношения. В первом случае математическая операция вычитания, во втором - деления.

Дифференциальность никуда не девается. Четерехпроводное подключение, два сигнальных провода от датчика идут к двум входам АЦП, Ain+ и Ain-, образующим как раз один дифф. вход. И фильтрация РЧ там (по обоим линиям), конечно же есть. Это стандартное включение.

Теперь если не ставить фильтрацию по реф. входу - вот тут как раз и получится "выборочное" фильтрование. Сигнал для числителя дроби (отношения) фильтруем, для знаменателя - нет. Именно этого я и хочу избежать. Помех не должно быть ни по одному из входов.

Зачем Вам "зеродрифт"? Возьмите "конвенциональный" хороший ОУ.

Я не затем его смотрел, не для этого места, не для этой схемы.
Тут, действительно, можно и не зеродрифт. На фоне сигнала порядка 1 Вольт дрейф в единицы мкВ не будет влиять. А такой дрейф бывает и у просто "хорошего ОУ". С другой стороны, с ходу не соображу, не будет ли также важно абсолютное смещение (а не только дрейф), или же оно компенсируется калибровкой и все.

я не вижу, чем бы Вам грозил дополнительный буфер... Похоже на слона из мухи.

Если нет нужного элемента - плохо. Если есть ненужный - тоже плохо. Это принципиальная вещь. Да и энтропийный фактор не стоит забывать.

Да, я в прошлый раз спрашивал про цифры - влияние емкости по реф. входу. Ну так вот, цифры нашлись. Эта тема подробно рассмотрена в AN-608 (Input Buffers on Sigma-Delta ADCs). Речь там идет сначала об измерительных входах и о влиянии емкостей при использовании АЦП в режиме без входных буферов (в обход). Там же в разделе о реф. входе говорится "The reference inputs on the ADC also go directly to a switched capacitor input stage, so similar comments with regards to maximum resistance and capacitance apply."

Еще больше цифр нашлось в ДШ на AD7719, стр. 32. Там видно, что да оно влияет, влияет нехило и даже при не очень больших емкостях. И как-то очень резко растут ошибки - в 1.5 раза увеливаем RC и уже вместо 20 бит точности остается лишь 16. Чтобы получить не хуже 16 бит при 10 К резисторе, емкость можно ставить не более 150-200 пФ. Что на порядок меньше того, что ставят в фильтры. И это данные для сигнальных входов, а там токи в 4 раза ниже, чем на реф. Так что для реф ограничение еще в несколько раз жестче. В общем окончательно ясно, что без буфера по реф не обойтись. Даже при опорном резисторе 1К (это если датчики 100 Ом) и то, наверное, лучше его ставить.

[Herz]

Пардон! Дифференциальная - значит "разностная". А "ратиометрия" - измерения отношения. В первом случае математическая операция вычитания, во втором - деления.

Да, конечно. Выразился я некорректно.

Дифференциальность никуда не девается. Четерехпроводное подключение, два сигнальных провода от датчика идут к двум входам АЦП, Ain+ и Ain-, образующим как раз один дифф. вход. И фильтрация РЧ там (по обоим линиям), конечно же есть. Это стандартное включение.

Теперь если не ставить фильтрацию по реф. входу - вот тут как раз и получится "выборочное" фильтрование. Сигнал для числителя дроби (отношения) фильтруем, для знаменателя - нет. Именно этого я и хочу избежать. Помех не должно быть ни по одному из входов.

Само собой. Это я и имел в виду: либо фильтровать всё, либо - ничего.