Mở rộng điện áp cho Arduino Analog In, ngoài bộ chia điện áp


16

Gần đây tôi đã chế tạo một số cảm biến uốn cong sợi quang và tôi muốn đọc các giá trị tôi nhận được từ chúng vào máy tính thông qua Arduino. Tôi đang đo ánh sáng với photodiode này từ Sợi quang công nghiệp . Hiện tại, tôi đang cho đèn LED ở đầu bên kia cũng như photodiode 2.2V. Câu hỏi của tôi liên quan đến thực tế là các dao động điện áp được đo bằng một mét trên photodiode là tuyến tính, nhưng khá nhỏ khi sợi bị biến dạng, thậm chí khá triệt để. Với sợi thẳng, tùy thuộc vào sợi (rất khó để ghi điểm chúng một cách giống hệt nhau), ví dụ, điện áp dao động quanh 1,92V, và với uốn cong, nó sẽ tăng lên, ví dụ: 1,93-1,94V. Tôi không lo lắng về việc có được điện áp giống hệt như tôi có thể mở rộng trong phần mềm.

Điều tôi lo lắng là mất độ phân giải khi thực hiện A / D với Arduino. Nếu dao động điện áp của tôi ở mức 10mV, thì A / D 10-bit của Arduino sẽ định lượng địa ngục ra khỏi nó, ngay cả khi tôi tăng điện áp lên 5V bằng bộ chia điện áp? Những gì tôi đang tìm kiếm là một máy đo tỷ lệ tương tự. Làm cách nào tôi có thể kéo dài phạm vi đó trong khoảng từ 1,92 đến 1,94 để bao quát toàn bộ phạm vi, từ 0V đến 5V để tôi có thể tận dụng toàn bộ phạm vi của Arduino A / D?

Tôi cảm thấy như đây phải là một hoạt động phổ biến trong điện tử, nhưng tôi chưa bao giờ nghiên cứu nó một cách chính thức, vì vậy rất nhiều thứ bị mất đối với tôi.

(Bạn có thể đang nghĩ, như davr, "tại sao bạn sử dụng sợi quang để cảm biến uốn cong? Tại sao bạn lại mong đợi sự thay đổi điện áp khi sợi bị uốn cong?" Điều này cho phép ánh sáng tràn ra. Khi cáp bị bẻ cong khỏi điểm, thậm chí nhiều ánh sáng sẽ bị ló ra khỏi cáp, gây sụt áp trong máy thu và ngược lại.)


Bạn có tử tế khi thể hiện sơ đồ của người nhận không? Bạn đang cung cấp điện áp sai lệch 1.9 V?
endolith

Nếu bạn có nghĩa là sơ đồ cho chính người nhận, tôi đã liên kết với biểu dữ liệu ở trên. Đây là một lần nữa: i-fiberoptics.com/pdf/IFD91.pdf Nếu bạn có nghĩa là tôi đã nối nó như thế nào, bạn có thể nhìn thấy trong bức ảnh. Người nhận là một màu đen. Tôi đang cho nó 2.2V (mặc dù trong ảnh là pin li-ion) qua dây màu đỏ ở bên cạnh máy thu có chấm màu cam và tôi đang đo điện áp trên điện trở tiếp đất mặt khác.
sân thượng

Câu trả lời:


11

Vì vậy, nếu tôi hiểu chính xác, bạn muốn có thể "đọc" một biến thể 10 mV trên đầu tín hiệu 1.9V?

Nếu đó là trường hợp thì tôi sẽ đề nghị hai giai đoạn riêng biệt. Đầu tiên sẽ là bộ khuếch đại photodiode (trang 9 là tiêu chuẩn nhất của mạch). Điều này sẽ giúp để có được dòng điện từ photodiode của bạn được dịch thành điện áp.

Giai đoạn thứ hai sẽ là một bộ khuếch đại nhạc cụ, chẳng hạn như gia đình INA từ Texas Cụ (tốt nhất nhưng cũng có thể đắt tiền). Điều này sẽ giúp loại bỏ tín hiệu "chế độ chung" của bạn, trong trường hợp này là 1.9 V. Bạn cũng có thể thêm mức tăng vào amp thiết bị hoặc thay thế thêm một amp op đơn giản trong cấu hình không đảo ngược ở cuối để giúp tăng tín hiệu của bạn lên đến 5 V. cần thiết

Tôi không nói rằng nó sẽ hoàn hảo, nhưng tôi nghĩ đó là một khởi đầu tốt.

Như một lưu ý cuối cùng, tôi thích ý tưởng của David ở trên về các kẹp, mặc dù chúng có thể gây ra một số lỗi đo lường ở bộ chuyển đổi A / D. Điều quan trọng hơn là nếu bạn có thể xoay nó, hãy thử op amp tốt hơn 741. Đó là những điều phổ biến nhưng thông số kỹ thuật rất tệ. Điện áp bù 3 hoặc 4 mV ở các đầu vào đầu vào thực sự có thể làm rối tín hiệu nhỏ như bạn đang cố đo.

~ Chris Gammell


1
Bạn không cần một amp thiết bị. Một amp khác đơn giản sẽ làm. Bạn cần một nguồn cung cấp 1,9 V không đổi để sử dụng làm tài liệu tham khảo của bạn, mặc dù. Tôi đoán một cái gì đó như thế này đã tồn tại trong mạch như là sự thiên vị cho cảm biến. Nó sẽ giúp để có một sơ đồ. Ngoài ra, sau khi loại bỏ độ lệch, bạn cần thêm lại một độ lệch khác để có được độ lệch giữa phạm vi 0 và 5 V của ADC.
endolith

1
Tôi đồng ý rằng bạn KHÔNG CẦN một, nhưng đó là một ý tưởng tốt. Một amp thiết bị chỉ là một amp khác với bộ đệm trước nó (đôi khi có thêm điện trở để đạt được). Nếu bạn chỉ sử dụng một amp khác, bạn sẽ cảm thấy thoải mái với các điện trở trong amp khác của mình; đôi khi thấp đến 1K. Nếu anh ta cố gắng đo một cái gì đó, trở kháng cao đó (từ bộ đệm của iAmp) thực sự có thể giúp ích (tức là không có dòng điện chạy vào thiết bị đo).
Chris Gammell

12

Điều hòa tín hiệu theo nghĩa này là vô cùng phổ biến. Bạn muốn sử dụng bộ khuếch đại để tạo khoảng nhịp 10mV đó (ví dụ) toàn bộ phạm vi 0-5V của arduino. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng op-amps như LM741. Bạn cũng có thể muốn sử dụng "kẹp điện áp" (ví dụ: hai điốt zener) trên đầu ra của bộ điều chỉnh tín hiệu / đầu vào của bạn vào ADC để đảm bảo rằng giá trị không vượt quá 5V. Nếu bạn nhìn xung quanh trực tuyến tại các bảng dữ liệu op-amp và / hoặc mạch điều hòa tín hiệu, bạn nên tìm hướng dẫn về chính xác những gì bạn đang tìm kiếm.


4

Đề nghị bạn xem xét sự kết hợp giữa bộ vi sai PGA (bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình) và bộ giải mã, với đầu ra cảm biến đi đến đầu vào "+" và bộ chuyển đổi sang đầu vào "-". (Hoặc một cái gì đó được tích hợp cung cấp cho bạn chức năng tương đương.) Về cơ bản, hãy nhìn vào tín hiệu với mức tăng thấp, tìm ra mức bù của nó là gì, đặt điện áp đó lên bộ xử lý tín hiệu và tăng mức tăng.

PGA308 của TI có vẻ như là một giải pháp tốt.

Nếu bạn muốn một giải pháp ít tốn kém hơn, hãy sử dụng bộ khuếch đại vi sai khuếch đại cố định (4 điện trở tiêu chuẩn + op-amp sẽ làm) + một bộ xử lý 8 bit ổn định, yên tĩnh (đặc tính ổn định / nhiễu quan trọng hơn độ chính xác), đặt lại đầu ra cảm biến trên đầu vào "+" cho amp khác và đầu ra DAC trên đầu vào "-".

Bài tập cho người đọc: cho thấy rằng bạn có thể đưa đầu ra diff-amp ra khỏi bão hòa và vào phạm vi tuyến tính bằng cách sử dụng kỹ thuật tìm kiếm nhị phân với DAC và đảm bảo rằng mức tăng không lớn hơn G1 = điện áp đầu vào ADC toàn màn hình, chia cho tổng kích thước bước danh nghĩa của DAC và DNL của nó (phi tuyến vi phân). Tôi có thể sử dụng nhỏ hơn (G1 / 2) và G2, trong đó G2 = điện áp đầu vào ADC toàn màn hình chia cho dải điện áp đầu ra cảm biến mà bạn quan tâm.


Hiện tại tôi quá tham vọng với những hạn chế về thời gian, nhưng cảm ơn vì lời đề nghị. Tôi rất vui mừng được đi sâu hơn vào điều hòa tín hiệu tương tự cho các nguyên mẫu trong tương lai.
sân thượng

Tại sao bạn cần một bộ giải mã? Bạn chỉ đang tạo một bù DC với nó? Điều đó có vẻ khá quá mức.
endolith

Vâng. Bộ xử lý tín hiệu được xác định dựa trên giả định phải thay đổi bù DC trên một phạm vi rộng. Nếu bạn có một hệ thống chỉ có điện áp trong phạm vi hẹp, (giả sử bạn đã thực hiện đúng phân tích dung sai của mình) thì bộ chia điện trở và tham chiếu có thể đủ để tạo ra điện áp bù. Hoặc để phức tạp hơn một chút, một mạng điện trở + bộ ghép kênh (đó là những gì một số bộ xử lý tín hiệu). Một thiết bị không thực sự phức tạp hay đắt tiền đối với một thiết bị, nếu bạn không cần độ phân giải cực cao hoặc độ phân giải cực cao.
Jason S

3

Sử dụng sợi quang làm cảm biến uốn cong có thể là một lựa chọn kém, không phải toàn bộ điểm của sợi quang sẽ dễ dàng cho phép bạn uốn cong ánh sáng xung quanh các góc với tổn thất tối thiểu?


2
Có, nhưng nếu bạn lột áo khoác và cạo nhẹ lớp vỏ bọc ở một bên bằng lưỡi dao cạo, lượng ánh sáng đi qua sẽ thay đổi khi bạn uốn sợi. Một tính năng hay là bạn có được tín hiệu hai chiều. Nếu bạn cúi xuống khỏi điểm, ít ánh sáng đi qua, nếu bạn cúi về phía đó, sẽ có nhiều ánh sáng đi qua hơn. Bạn sẽ phải sử dụng hai cảm biến uốn cong truyền thống để có được điều đó. Họ cũng trông thật ngầu.
sân thượng

2

Bạn cần hai điều: sử dụng đầu vào vi sai để so sánh với tiêu chuẩn 1.9v (hoặc gần với nó) và bộ khuếch đại để tăng độ phân giải của sự khác biệt đó.

Để có kết quả tốt nhất, bạn nên sử dụng các amps thiết bị chất lượng cao bên ngoài hoặc các ampe kế op. Nhưng bạn có thể thử sử dụng các phương tiện được tích hợp trong vi điều khiển. Cả Arduino Mega (chip ATMega2560) và Arduino Leonardo đều bao gồm tùy chọn cho đầu vào vi sai, khuếch đại cho ADC ngay trên chip. (Uno không có cái này). ATMega2560 có thể thực hiện nhiều kênh (ghép kênh) ADC vi sai được khuếch đại cho nhiều cảm biến - đọc biểu dữ liệu để xem có thể kết hợp pin nào. Nó có tùy chọn khuếch đại 200x, sẽ đặt độ phân giải 1024 bước đầy đủ trên 25 mv. Bạn chỉ cần định vị cửa sổ 25 mV nơi bạn cần!

Điều đó có thể hoặc không đủ tiếng ồn cho mục đích của bạn - nó không có chất lượng cao như bạn có thể xây dựng bên ngoài để có thêm $$.

Phần khó hơn có thể là tham chiếu 1.9v ổn định và chính xác để so sánh với.


Đến đây để nói điều này. +1!
Nick Johnson
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.