Задача: измерять напряжение от от 100нВ до 1В без промежуточного усиления, подавая это напряжение на вход АЦП. При этом наблюдается присутствие большого уровня помехи 50Гц.
Какие АЦП могут сделать оную работу?

Лучше всего подходят интегрирующие- сигма- дельта в т.ч. Нужно засинхронизировать тактовую частоту АЦП с сигналом помехи- 50 Гц в данном случае. Если время преобразования АЦП при этом составляет целое число периодов помехи- интегрирующий АЦП её (и её гармоники) подавит полностью. То же самое можно сделать и с помощью сэмплирующего АЦП- только выборок нужно будет брать больше ( с учетом верхней границы спектра) и, так же, его частоту выборок синхронизировать с частотой помехи. Фильтрацию (усреднение) в этом случае нужно будет делать программно.Но измерить 100нВ- 1В без усиления все равно нереально- во первых, динамический диапазон получается 10^7, это многовато даже для интегрирующего, и даже если сделать период интегрирования большим- будут сказываться внутренние шумы, прежде всего низко- и инфранизкочастотные. Во вторых, если речь идет именно об измерении, откалибровать прибор до точности выше 0,005% крайне проблематично- нужно иметь под рукой Госэталон. Я даже не говорю о стабильности прибора.

Точности 0.1% от измеряемого значения, достаточно. Использовать сигма-дельта АЦП, для упрощения программы, хочется. Вчера я чуть сделал перегиб в запросах, достаточно почувствовать 1мкВ, но с 0.1% не меньше.

Динамический диапазон 140 dB - это не очень просто. Это полная разрядность АЦП больше 23 бит. Правильный ответ: практически никакие. Конечно, многое зависит от правильного понимания Вами понятия "измерить", что именно Вы хотите получить в результате "измерения"? Но задача измерения с такой точностью или даже с таким шумом сложна и сейчас, несмотря на последние достижения в области сигма-дельта АЦП-строения.

В качестве примера кристалла, на котором может быть можно решить Вашу задачу, если Ваше понятие "измерить" не слишком жесткое, посмотрите на ADS1240 от TI и аналогичные кристаллы с интегрированным PGA. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ads1240.html

Сейчас Вы еще больший перегиб сделали. Вам нужна точность 1нВ и измерение до 1В. Динамический диапазон 9 порядков, скромно так. Сформулируйте точнее проблему.

Динамический диапазон 140 dB - это не очень просто. Это полная разрядность АЦП больше 23 бит. Правильный ответ: практически никакие. Конечно, многое зависит от правильного понимания Вами понятия "измерить", что именно Вы хотите получить в результате "измерения"? Но задача измерения с такой точностью или даже с таким шумом сложна и сейчас, несмотря на последние достижения в области сигма-дельта АЦП-строения.

В качестве примера кристалла, на котором может быть можно решить Вашу задачу, если Ваше понятие "измерить" не слишком жесткое, посмотрите на ADS1240 от TI и аналогичные кристаллы с интегрированным PGA. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ads1240.html

Точность 0.1% от измеряемого значения: 1мкВ - 1нВ, 1В - мВ.
1мкВ - 1нВ вот это выдал я! У страха глаза велики.
1мкВ с точностью 0.1мкВ - вот откуда 100нВ

Если именно измерить - то не получится, я уже говорил почему. Если получить разрешающую способность такого порядка- это надо посмотреть на системные шумы.

Раньше посматривал в сторону ADS1240 даже описание читал(бело), но что-то меня сдержало.
Вы с ней работали? Как она в работе?

Нет, я работал с более старыми. Судя по документации этот кристалл наиболее близок к запрошенному Вами по параметрам (если, конечно, пропасть между желаемым и возможным вообще преодолима). Попробуйте - но подводных камней море и вряд-ли они для раздела "электроника для чайников".

Каждый чайник мечтает стать самоваром

С микроконвертором ADuC847(АЦП, ЦАП и микроконтроллер на одном кристалле) кто работал?
Чем программируется?

Как всегда - ручками программируется. Для этих устройств часто хватает и ассемблера. Компилируешь в НЕХ файл и заливаешь даунлодером. Все дела. Есть еще Keil и IAR - там есть и С компиляторы, но за них денег просят. Впрочем, есть бесплатные версии с ограничением по коду. Только при чем здесь 100нВ? 7 порядков ни одна АЦП не даст, все равно придется усиливать, и то такое напряжение почувствовать... Все должно быть малошумящим, и полосу зарубить...

Uопоры=2,5В
Разрядность АЦП 24бит
Внутренний регулируемый усилитель Ку = 1-128
2,5/(16777215*128)=1,16е-9 (1нВ)
2,5/1,16е-9=2,1551е9 целых 9 порядков

Так это 9 порядков получается при идеальном нешумящем, неискажающем АЦП. Это- чистый шум квантования. В реальности все по- другому.

Типа D7793 )))
На бумаге все красиво
Есть такой параметр у АЦП - ENOB, так вот, на эту разрядность и стоит обращать внимание. А там не больше 20-21.
И еще одна критическая особенность - шумы. У хороших АЦП это порядка 100нВ в полосе 10Гц. По любому придется услиливать (можно и встроенным усилителем, почему бы нет), 7 порядков не покрыть

Вы правы. Ах, как хочется чтобы все было попроще...
В усилителя есть смещение нуля, какая неприятность.
Чем все-таки можно измерить 1мкВ, с точностью 25%?

А еще бывает термо-ЭДС.

И как с ними бороться?

Как бороться?..
Никто не говорит, что прецезионные измерения - дело простое.
Что-то давно изобретено, что-то нужно изобретать самому исходя из своей задачи.
Возможно, если нужна такая точность измерения постоянного напряжения - то неправильно поставлена задача в целом... Вы же не хотите измерить именно абстрактное напряжение, раз забыли про термо-ЭДС?

Насколько я понимаю, чтобы была термоэдс, нужна гальванопара. А медь(стеклотекстолит фольгированный) да припой - темопары никакой.
Может гдето есть то чего я не знаю, откройте тайну.

Есть еще тепловой шум

Да, если у ИМС нога медная, то припой-медь погоды не сделают (очень мало расстояние, разности температур никакой). Если предположить, что далее есть контакт медь-золото (разварка), потом опять золото-медь (уже на кристалле) то эффект может оказаться заметен, разность температур может быть существенной.

"Существенной" это сколько?

Сам с нановольтами по DC не работал - но мне известно, что обычно начинают задумываться о термо-ЭДС когда речь идет про милливольты. Когда было нужно - удалось организовать измерение таким образом, чтобы это было несущественно. То есть на переменном токе. Но микровольты - еще на три порядка меньше. Так что это все на три порядка сложнее. Могут начать влиять уже градиенты температуры на плате. Пробуйте - может быть именно у Вас получится сходу без длительного геморроя

У тех классических сигма-дельта АЦП, с которыми я работал, был еще один недостаток. Было сложно избавиться от пролезания наводок от клока модулятора в аналог, что также приводило к смещению DC, даже при использовании самокалибровки. У меня с ходу получилось порядка сотни микровольт, мне хватило, поэтому я больше не занимался улучшением схемотехники. Наверное, "системная калибровка" дала бы лучшие результаты, кроме того, насколько мне известно, в последние годы производители сигма-дельта АЦП активно работали над этой проблемой, наверняка что-то улучшили.

Мне приходилось делать усилители DC милливольтового уровня.Термо-ЭДС паяных контактов- вовсе не мелочь, особенно если учесть, что устройство может находиться под воздействием тепловых потоков как от элементов самой ПП, так и из внешней среды. Насколько мне память не изменяет- вывод/пайка может иметь термо- ЭДС, измеряющуюся десятками микровольт на гр., в зависимости от состава припоя и материала покрытия. Поэтому такие устройства иногда чувствуют, как на них дунешь. На резкие скачки температуры, например при испытаниях в термокамере, реакция соответствующая- но если все хорошо сделано, минут через 30 состояние восстанавливается. Средство борьбы с этими вещами- тщательное проектирование, прежде всего, входных цепей с симметричной топологией, минимизация теплового воздействия на входные цепи, электрическое и тепловое экранирование. К примеру, помещения, где производится поверка термопар оборудуются тамбурами с целью исключения сквозняков и поддержания стабильной температуры. Кроме того, особенно если имеются высокоомные чувствительные вх. цепи, приходится думать об утечке по поверхности ПП, применять спец. покрытия и вообще тщательно очищать и мыть ей поверхность.

Тоесть, измерить такое количество напряжения в домашних(полевых) условиях не возможно?

Что такое "количество напряжения"? Так не говорят. Напряжение - это разность потенциалов. Что возможно а что нет сильно зависит от того где измеряют и с какими усилиями. Я не знаю, какие у Вас "домашние условия" - но поставленная Вами задача сложна.

Измерение проводится по четырехзажимной схеме. Пропускают импульс тока через сопротивление, в это время измеряем падение напряжения.

Измеритель сопротивления куска металла?
Тогда лучше мерить на переменном токе.

Но стабилизировать приятнее постоянный ток

Тут речь не идет о том, "что приятнее".

Дарю идею.

1. Делаете стабиллизатор постоянного тока.
2. Делаете быстрый комутатор, коммутирующий этот постоянный ток между нагрузкой и некоторым эквивалентом нагрузки.
3. Ставите быстрый сигма-дельта АЦП, отсчеты на выходже которого синхронизированы с коммутатором.
4. В цифре произвордите синхронное детектирование и фильтрацию результата.

Когда-то делал подобное. При диапазоне 2 вольта шум в цифре с периодом 1 секунда был чуть меньше микровольта. Смещение нуля было гораздо меньше шума. Это было также получено с первой попытки. Так как шум самого измеряемого процесса был гораздо больше - меня устроило. Так что сложно утверждать, что это практический предел. Но будет ли эта схема работать "в полевых условиях" - нужно дотошно исследовать. Зависит от свойств нагрузки.

Еще лучше- для стабилизации постоянного тока возбуждения использовать тот же самый источник опорного напряжения что и в сигма-дельта АЦП. Тогда его дрейф не будет влиять на результат

Типичная термоЭДС пары металл-металл это единицы-десять мкВ/К

Нужна опторазвязка



Спасибо пробую

Опторазвязку проще делать в цифре.

Это только на первый взгляд. Возьмите промышленный прибор 100 нВ разрешения - Щ300 например. Вы обнаружите, что у него щупы сделаны из нелуженой меди. Даже крокодильчики из комплекта - голая медь без никелирования. Клеммы у него тоже выполнены из "голой" меди. Теперь небольшой пример. Пусть термо-ЭДС скажем 10 мкВ/К. Тогда ваши 0.1 мкВ получатся при разности температур в 0.01 К Эту разность можно заполучить фактически от "кривого взгляда" на схему. То есть у вас входные каскады этой системы должны иметь срредства для выравнивания тепловых градиентов до уровня сотых градуса.
Еще одно замечание. Если у Вас нет в доступности фабричного прибора класса нанонвольтметра (то есть с разрешением 10 нВ) то ваша затея обречена на провал, так как Вы не сможете удостовериться в том, что же вы на самом деле измеряете.
Если же вам нужно измерять сопротивление куска проводника, то пременный ток это именно то, что вам нужно. Хотя и тут есть подводные камни. Если вы измеряете сопротивление хорошего проводника, то не следует забывать о скин-слое.

Для возникновения термо-эдс гальванопара не нужна. Термо-эдс возникает просто от контакта двух разных металлов или сплавов, т.н. эффект Зеебека, например медь- свинец, температура которых выше нуля Кельвина. Вот некоторые её значения, типичные для материалов эл. компонентов:
медь-свинец/олово(припой)- 1-3 мкВ/град
медь-ковар(типичный материал выводов м/с)- 40 мкВ/град
медь-окись меди- 1000 мкВ/град
(данные из кн. И.Достал "Операционные усилители")
Из цифр можно сделать выводы, как будет влиять неоднородность температурного поля по поверхности ПП.
Гальванопары, кстати, тоже будут оказывать влияние на микро-нановольтном уровне. Они очень легко образуются вследствии абсорбции влаги на поверхности ПП. Поэтому мойка и защитное покрытие такого рода изделий- отдельная песня.

По-моему эффект Зеебека это и есть тот физический эффект, который ответственен за возникновение термоЭДС в термопаре.
При субмикровольтовых измерениях надо еще учитывать эффект Томсона - возникновение разности потенциалов вдоль градиента температуры проводника.

Именно...А я разве не так написал? Хотя, если формулировка недостаточно однозначна- прошу прощения.

Первое правильно, а второй - нет. Второе - это и есть эфф. Зеебека. А Томсон это про другое...
На самом деле эффекты и коэффициенты Томсона, Зеебека и Пельтье взаимосвязаны... Так что один (любой) из них можно забыть, а помнить только два...

Ничего не получится, финансирование(закупка комплектации) обрезано, начальство упирается.
Надо что-то другое, подешевле

Хм... Ну, если закупка комплектации на несколько долларов обрезана - то соболезную...
Вот программировать, действительно, нужно тщательно и аккуратно. Долго читая даташиты и разбираясь в вопросе, как реализовать задуманное правильно. Но соболезную в любом случае
Если что-либо когда-либо у Вас получится сделать без денег - порадуйте общественность

Могу порадовать-добились измерения 100мкВ с точностью 0,5%.
Пока это сделали, сожгли 2 АЦП, микроконтроллер и так по мелочи...

На постоянке? Как точность проверили?

P.S. "Если Вам кажется, что все идет хорошо - возможно, Вы что-то не заметили". Один из законов Мерфи.

Ну АЦП понятно, а за что микроконтроллер?
Изверги, фашисты!

Есть в схеме стабилизатор тока(5А,15В) гальванически развязанный с АЦП и микроконтроллером(5В).
Есть люди которые бегают:"Давай, давай, сроки !!!"
Вот и получается




На постоянке. Точность проверили путем сличения результата измерения со Щ300

Недавно держал в руках один готовый прибор- преобразователь сигналов термометров сопротивления в нормированные. Производитель- ф. "Turkey". Внутри- АЦП AD77...- не помню модификацию, но неважно- ядро у всех одно и то же, в этом плюс ещё источники возбуждающего тока и, если память не изменяет, программируемый усилитель- для измерения сопротивления как раз.Прибор имеет сертификат. Точность заявлена 0,1%. А маааленькими буквами приведен температурный дрейф- 500 ppm на град. Простой подсчет: при изменении т-ры на 2 град. доп. погрешность- плюс ещё 0,1%. Имеет смысл такая заявленная точность вообще, а в реальных условиях в особенности?
P.S. Характеристики прибора, в т.ч. темпратурный дрейф, я сам проверил для интереса- все именно так и есть.

В металлах эффект Зеебека (который Вы Томсоном величаете) ничтожно мал. Более того, если нет пары металлов прямой градиент точно будет компенсироваться обратным, в сумме нуль.

Отличное обоснование того, что ЭДС термопары должна равняться нуля всегда и везде.
Второе предложение абсолютно точно выполняется в стационарном случае...

Кто работал с АЦП ADS1252, LTC242? Есть какие-то интересные моменты их использования?
Кто опытом поделится