Здравствуйте, задача следующая: в зависимости от силы тока, на выходе датчика наводится ЭДС, которую необходимо измерить и оцифровать с определенной точностью.

В проектировании новичок, поэтому опишу полный ход мысли:
1. Проанализировав экспериментальные параметры с датчика, выяснил, что диапазон входных значений составляет ~1,5 - 16 В.

2. В соответствии с ГОСТОМ, рассчитал минимально требуемую погрешность в рабочем диапазоне, и, связав её с коэффициентом преобразования датчика, выяснил, что для её обеспечения нужно измерять напряжение с минимальным шагом 1,18 мВ.

3. В соответствии с полученным значением шага, начал выбирать АЦП, но т.к. не один АЦП не может иметь на входе сигнал в таком диапазоне, рассчитал делитель, который уменьшает выходное напряжение с датчика в 4 раза, отсюда входной диапазон АЦП составил 0,375 - 4 В.
Далее выбрал разрядность: типичное максимальное входное напряжение для большинства АЦП - 5 В, соответственно, чтобы обеспечить измерения с требуемой точностью необходим 16-ти разрядный АЦП.
Затем начал разбираться с частотой дискретизации, на которой я сейчас и застрял. Измеряемый ток будет иметь частоту 50-60 Гц (промышленные сети), из теоремы Котельникова следует, для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала, соответственно, минимальная частота дискретизации АЦП должна составлять 121 SPS (правильно это или нет понять не могу).
Обобщив все эти требования и почитав информацию об основных типах АЦП, пришел к выводу, что необходим сигма-дельта АЦП, т.к. в данном случае требуется максимальная точность, а S-D более точны в сравнении с SAR, +, как видно из расчетов, не требуется большая скорость измерений.

4. Подавать сигнал с датчика на АЦП напрямую нельзя, т.к. нужен согласующий каскад. В его качестве выбрал повторитель напряжения на ОУ. Но его параметры определить не могу. По сути, раз ОУ используется только как повторитель, то я начал выбирать только из ОУ специального назначения, так называемых Buffer'ов. Насколько я понимаю, главное требование при выборе - скорость, она должна быть выше, чем у АЦП, 100% уверен что необходимо обращать внимание на помехи, параметры которые на них влияют это напряжение смещения и смещение в зависимости от температуры (в этих параметрах не уверен, т.к. не понимаю как они влияют на окончательный результат), при этом не знаю как рассчитать их допустимую величину, из соображений требуемой точности.

Буду благодарен любой помощи!

С АЦП и теоремой Котельника все верно, но думаю лучше будет если Вы будете оцифровывать сигнал не строго по теореме а с 10 кратным запасом. Скажем с частотой дискретизации 1кГц.
Тогда Вы сможете не просто восстановить сигнал, а получить его форму в виде 20 точек на период.
Хотя я бы тут поспорил. Есть подозрение что Вы собираетесь измерять качество этого самого тока. А раз так, что частота дискретизации должна быть выше самой высокой гармоники,
которую Вы будете измерять. И если это скажем 2кГц, то частота дискретизации уже 4кГц, а не 100 Гц. Минимум. А лучше раз в 5 больше. Тут нужны дополнительные сведения.
Далее по ОУ. Вам нужен инструментальный малошумящий ОУ. Вы написали максимум 16V, предполагаю что это размах pk-pk (пик ту пик). Значит амплитуда максимум 8V, и Вам подойдет любой малошумящий ОУ у которого размах по входу допустим скажем +/-12V ну чтобы с запасом. Их таких много, питание +/-15.
Теперь по шумам. Вы обозначили 1.18mV при 16V. То есть отношение амплитуды к минимальному шагу 16000 или 84dB.
Ну вот и ищите операционный усилитель, у которого
1. по входу допустим размах +/-12V,
2. собственные шумы ниже 84dB, а
3. по выходу он может дать достаточный ток чтобы раскачать входы АЦП, то есть выходной ток ОУ должен быть больше раз в 10, чем входной ток АЦП, и
4. полоса ОУ, то есть частота единичного усиления была бы скажем 10kHz минимум. То есть в 10 раз больше частоты дискретизации.

Так как Вы будете уменьшать сигнал по амплитуде, все что требуется это подобрать резисторы так, чтобы коэффициент передачи каскада на ОУ с входа
на выход был менее 1, а точнее 0.25, судя по вашим замечаниям. Это означает что резисторы на входе ОУ будут в 4 раза больше номиналом, чем резисторы
соединяющие входы ОУ с выходом. Грубо, точнее смотрите формулы расчета ОУ.

Компания TI предлагает вот такой АЦП для измерения качества электроэнергии http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads131a02.pdf
На мой взгляд классный АЦП.
Причем они предлагают вообще обойтись без усилителя и просто поделить сигнал резисторами или поставить трансформатор.

Да всё верно. 14 бит плюс пару в запас. Только нужно выбирать АЦП который даёт реальные ENOB = 16битПравильно теоретически. Практически же есть ваш сигнал + шумы с эфира и прочая хрень. Соответственно должен стаять фильтр на входе АЦП чтобы отфильтровать лишнее. Например 3 звенный фильтр отфильтрует помехи до уровня -100дБ примерно на 50 кратной частоте среда. Т.е. 60*50=3кГц. Соответственно цифровать нужно на частоте 6001Гц. Само собой лучше фильтр - ниже частота.

Однако если выбран сигма дельта ацп то он сам работает фильтром. Насколько качественным нужно смотреть параметры выбранного. Например первый попавшийся ADS1251 гарантирует ослабление -100дБ уже на 18 кратной частоте. Т.е. 60*18=1080Uw/

B это без каких либо внешних фильтров вообще!!!
Раз не знаю как рассчитать то свалим эту работу на разработчиков АЦП.
Берём ADS1246 за 8 баксов штучка на DigiKey который уже имеет внутри себя и входной усилитель и источник опорного напряжения. Мало того входной усилитель ещё можно и масштабировать. Короче не микрушка а сказка

В результате схема выглядит так: Делитель - некая схема защиты (защитные диоды в простейшем случае) - АЦП - ПРОЦ. Всё. Из аналогового только цепи защиты и делитель. На данных частотах делитель может быть на 2 резисторах

А я вот предположу, во-первых, что автор измерял переменное напряжение обыкновенным китайским тестером, а значит, его действующее значение, и размах которого, соответственно, 46 В, а во-вторых, что ему требуется измерять конкретно эту амплитуду и конкретно с первого же раза, то бишь полупериода, так то Котельников, равно как и вольное допущение, что сигнал на 100% математический синус, суть жестокое заблуждение, и требуется обыкновенный калибруемый пиковый детектор.

А я предложу ТС не испытывать телепатические способности форумчан, а просто и ясно написать, что ему надо измерить и зачем.

На данный момент задача заключается лишь в измерении величины тока в зависимости от ЭДС на выходе датчика, поэтому, в соответствии с вашими рассуждениями и


насколько я понял, необходимо выбирать частоту дискретизации АЦП в зависимости от его параметров ослабления, варианты выбранных АЦП выложу в ближайшее время. (ADS1246 рассмотрю в 1 очередь)





Из всего этого пришел к выводу, что раз существуют схемы со встроенными усилками и ИОН, то зачем мучиться, буду искать именно подобные АЦП. Безусловно необходимо разобраться в данном вопросе, чтобы в будущем не возникало подобных проблем, но надеюсь что со временем разберусь .



Экспериметнальные измерения проводил не я, мне лишь предоставили полученные данные. Но я уверен, что таких значений нет.



Получается, если я выбираю АЦП с нужной начинкой, то сигнал с датчика может идти прямо на него через делитель, все-таки можно поступить проще и поставить делитель на 2 резисторах или лучше сделать его на ОУ? И еще хотел узнать по-поводу номинала резистора, с которого будет сниматься сигнал, нашел информацию, что его величина должна быть приблизительно на два порядка меньше (в 100 раз) сопротивления нагрузки подключаемой к выходу делителя, насколько я понимаю у встроенного в АЦП усилка входное сопротивление гигантское, соответственно если я задамся номиналом в сотни кОм, будет ли это отрицательно влиять на параметры схемы?

Всё зависит от выходного сопротивления датчика.
Вы подробно изложили ход мыслей, а вот задачу одной строчкой. Тут нет профессиональных телепатов. Вам нужно измерить интеграл входного напряжения с датчика? Датчик - шунт, правильно? Напряжение переменное или импульсы? (телепатические способности подсказывают что переменное)

Датчиком является катушка Роговского, задача заключается в том, чтобы оцифровать выходной сигнал с этого датчика и с помощью обратного преобразования судить о велечине тока с описанной точностью.

С описанной ГДЕ точностью? Вы про точность упомянули только в туманном:

Исходя из чего выбрана разрядность - непонятно.
Другой вопрос, что значит "судить о велечине тока"? Судят пусть в суде. Вам, как я понимаю, нужно измерить и узнать. Так какая величина Вас интересует: мгновенное значение, среднеквадратичное, какое-то ещё? Без ответа на этот вопрос рассуждать дальше бесполезно.

Да вы правильно поняли. Единственно я похоже не совсем верно прикинул цифры. Там график ослабления напрямую связан с частотой дискредизации. И возможно всё же внешний фильтр будет нужен. Как верно написали выше вопрос лишь в согласованиях сопротивлений по входу или выходу. Т.е. делитель нужно подобрать так чтобы
1. С учётом выходного сопротивления датчика ошибка не превышала 1 разряда.
2. Чтобы входное сопротивление АЦП не давало ошибки больше 1 разряда.
Если это получиться на резисторах то отлично. Если нет то тогда придётся ставить ОУ.

При этим резисторы должны быть 0,001%ные. С температурным уходом не более 0,3ppm/С.

Всё верно. Но у резисторов есть ещё тепловой шум. Который напрямую связан с сопротивлением. Чем больше сопротивление тем больше шум. Его стоит оценить при выбранном номинале резисторов. И обязательно конденсатор после делителя. Он обрежет часть шума.

Ну да, весело — нас же посылать статью, которую сами не читали, потому что иначе не понаписали бы всего, что выше, а тупо собрали бы схему из неё и радовались жизни.

Требуемую точность я описал выше, а именно указал минимальный шаг и максимальный диапазон, на основе которых и была выбрана разрядность АЦП. Приводить полный расчет шага смысла не вижу, так как он абсолютно никак не связан с физикой процессов, и все что нужно сделать это посчитать несколько простых выражений, утруждать кого-то этим заниматься - не серьезно.
Задачу я сформулировал точно так же, как поставили передо мной. Технического задания нет, поэтому имею полную свободу в плане того, каким образом я приду к требуемому результату. Но так как у меня мало опыта в проектировании и данная тема для меня новая, то информации которую я нашел, хватило лишь на рассуждения приведенные выше. Тонкости, на которые необходимо обращать внимание при проектировании подобных устройств, мне неизвестны, поэтому я и решил обратиться за помощью к людям, которые разбираются в данном вопросе, и пытаюсь дать максимум информации, которой я располагаю.


А вы знаете параметры датчика приведенного на схеме? Почему были выбраны именно эти номиналы элементов? Почему выбран именно этот ОУ? Какая точность у выходного сигнала при данном подключении? Уверен что нет. Схема взята непонятно откуда и непонятно из каких соображений. Моя цель, помимо достижения результата, это разобраться в данном вопросе и улучшить навыки проектирования, для того чтобы в будущем решать подобные задачи и совершенствовать разработанную схему в частности.


Поискал АЦП, наткнулся на ADS1120, если ничего не перепутал, то по всем параметрам кроме ИОН (встроенный выдает всего 2В) он подходит. Насколько понимаю, к данному АЦП можно подключить внешний ИОН до 5,5 В, соответственно если найти подобный минимум на 5В (при поиске АЦП встречал такие из серии OPAxxx), то все должно удовлетворять.

Про подбор делителя относительно разрядов не понял, прошу поподробней рассказать каким образом проводить расчет.

"В ясли" (С)

Подбирается делитель так чтобы диапазон входного сигнала для АЦП соответствовал. Точность резисторов определяется заданной точностью измерения. Входное сопротивление делителя выбирается исходя из нагрузочной способности источника сигнала, наводок на линии и других условий.
И АЦП как правило не работает с переменным напряжением.

Никакой информации Вы так и не дали. Много букв, но бесполезных. И постарайтесь не злоупотреблять цитированием.
Вы так и не ответили на простые и главные вопросы: какая точность нужна и в определении какого значения.
То, что Вы каким-то образом насчитали разрядность АЦП, понимания не добавляет.

По ГОСТу погрешность зависит от значения первичного тока в трансформаторе (класс точности 0,2s), при 1% от номинального тока погрешность может составлять +-0,75% при 120% +-0,2%. Зададимся рабочим диапазоном: 600 - 5000 А, соответственно, минимальная погрешность будет при измерении 1% от 600 А, и составляет она 0,45 А, коэффициент трансформатора зададим 380 А/В, тогда на 1 мВ приходится 0,38 А, отсюда, чтобы получить минимальную погрешность в 0,45 А, необходимо 1,18 мВ. Ну и соответственно диапазон напряжений рассчитывается путем деления граничных значений тока на коэффициент преобразования: min: (600/380=1,57В) max: (6000/380=15,7В). Откуда разрядность АЦП выбирается из выражения 15,7/2^n, где n - разрядность, но понятно, что если брать значение после делителя (max=4В), то там будет еще точнее.

А оно вам надо? Ну поделите вход до 2В. И используйте внутренний ИОН. Лишние детали это зло А что тут не понятного?
Имеем 16 бит. Это значит что 1 бит это 1/2^16 = 0,0000152587890625 = 0,00152...%
Т.е. если мы хотим чтобы полученное число на АЦП соответствовало реальности нам нужно брать резисторы имеюшие лучшую точность. В реале боюсь круче 0.001% вы не найдёте.
Само собой это если без калибровки. Если же калиброваться то точность резисторов становиться совсем не важной и на первый план выходит их температурная нестабильность.
Это значит что от температуры резисторы не должны уплывать больше чем те же самые 0,0000152587890625 или в ppm-ах 15,2587890625
Возьмём рабочий диапазон 50С 15,25.../50= 0,3...ppm/C. Само собой если у нас будет военный диапазон -40 +125 то делить нужно на 165 и температурная нестабильность будет уже 0,1ppm
Если у нас коэффициент деления целочисленный то имеет смысл брать резисторы из одной партии и одного номинала и паять делитель из них. Т.е. делитель на 4 это 4 последовательных резистора где напряжение снимаем с нижнего. У элементов из одной партии температурный уход будет очень близким и как следствие его влияение на коэффициент деления будет минимально и можно взять резисторы с болльшими ppm-ами.

Не подскажите что вы имели в виду?

Имел ввиду что АЦП как правило не преобразуют отрицательное напряжение на входе.

Аааааа ))))) Так понятнее

Вы так и не поняли вопрос. Совершенно неинтересно знать ни о классе точности трансформатора, ни о ГОСТе, ни о какой-то "физике"... К самому измерению напряжения, которое Вы затеваете, это не имеет отношения.
Вопрос должен был бы звучать примерно так:
"Мне нужно измерить действующее значение (или амплитудное, или мгновенное, или ...) переменного напряжения частотой 50Гц, поступающего с катушки Роговского, и лежащего в диапазоне 1.5 - 16 В (амплитудное?) с погрешностью 0.5% от максимального значения (или с точностью 10мВ, например). Данные нужны, скажем, 10 (1, 100, 200?) раз в секунду".
И всё. Как видите, всего пару строчек.
И ещё. Не путайте разрешение и точность. Это разные вещи.

Если бы пояс Роговского был им, его бы все так и называли, однако ж он пояс, так что всё, что Вы снова понаписали, всё та же бесполезная фантазия.

Все доступно и предельно ясно, завтра составлю примерную схему со всеми элементами.

Посмотрел в даташите типичное применение данного АЦП, и из примера с термопарой взял схему фильтра и добавил к нему делитель.
Получилось следующее:



R1-R3 - делитель с коэффициентом деления 8, для того, чтобы при максимальном входном напряжении в 16 В, оно снижалось до 2 В (из соображений наличия встроенного ИОН 2,048 В). R2 для корректировки. Ток через делитель больше (на несколько порядков), чем требуемый ток для включения АЦП.
R4 = 1 кОм, C1 = 100 нФ, C2 = 10 нФ. Фильтр обеспечивает частоту среза на 796 Гц.
Подключение питания АЦП и подключение к нему МК - в соответствии с рекомендациями производителя.
Сопротивления максимально точные из возможных (0,001%), с температурной нестабильностью <=0,3 ppm/C

R2 тоже термостабильный? Моё мнение лучше код с выхода АЦП корректировать.

Э-хе-хе.... Ещё возьмите микроскоп и забивайте им гвозди.
Пока Вы не в состоянии сформулировать задачу даже для себя, никакие супер-пупер прецизионные детали Вам не помогут.

Уж не знаю, поздравить или посочувствовать?

Боюсь подстроечник с такой точностью не найти. Да и его наличие по моему зло. Уж проще в цифре ввести поправочный коэффициент.

Хорошо, подстроечник уберу.
Огромное спасибо всем кто помог, в особенности MegaVolt'у и agregat'у!