¿Cómo puedo amplificar una señal de 0-100mV a un ADC con un rango de 0 a un voltaje de referencia específico?

Question

Ignorando el tema del ruido, quiero amplificar una señal "estática" de 0-100mV DC al rango del ATmega328P's ADC de 10 bits que utiliza una referencia de tensión específica. Supongamos que esta referencia es de 4,096V y la llamamos AREF. Esto me da pasos de 4mV y necesito una ganancia de 40,96.

Por lo que tengo entendido hasta ahora, un in-amp como el AD623 podría funcionar para esto. Tiene un rango de entrada desde 150mV por debajo de Vs- (GND en mi caso) hasta 1,5V por debajo del carril positivo (que es 3,5V en mi caso, con un Vcc de 5V.) Mi problema es que el rango de voltaje de salida en una sola fuente tiene un mínimo de 10mV. Eso significa que el ADC verá 0V, 4mV y 8mV todos como "0". ¿Cómo se puede evitar esto?

Sólo puedo amplificar unas 1,22 veces más antes de llegar a los raíles de la salida, así que no veo cómo podría ayudar un divisor de tensión en la salida...

Que yo sepa, no hay forma de subir el voltaje de fondo del ADC del ATmega328P sin hacer algo como un ADC diferencial, que según he leído requiere una calibración que parece relativamente difícil.

Answer 1

Cuando realmente necesites llegar a tierra en la salida para que incluso una salida "rail to rail" no sea suficiente, dale alimentación negativa. Un opamp para conducir una entrada A/D no necesita mucha corriente, por lo que una bomba de carga debería ser suficiente.

Todo lo que necesitas es una salida digital que cambie constantemente. Esto puede conducir un par de seguidores de emisores NPN/PNP. Eso, más dos diodos Schottky y dos tapones, te da un pequeño voltaje negativo. Los microcontroladores a menudo pueden manejar un pin con una "salida de reloj" o similar, que es útil para hacer una bomba de carga. Después de las diversas caídas de tensión, sólo se termina con -1,2 V o algo así cuando se empieza con una onda cuadrada de 3,3 Vpp, pero eso es suficiente para que muchos amplificadores optoelectrónicos superen ampliamente su región de límite de carril inferior.

Un posible problema es que el amplificador óptico puede conducir por debajo de la tensión de entrada válida del A/D. Con el circuito correcto y asegurándose de que el voltaje de entrada al amplificador óptico se mantiene dentro de un rango especificado, debería poder saber que la salida no será negativa. Sin embargo, debes considerar esto cuidadosamente.

Answer 2

Si miras la sección 28.6.3 de la hoja de datos del ATmega328P verás que empieza a definir el error de desplazamiento de cero que obtendrás al usar el ADC. El resultado de esto es que es extremadamente sensato no usar (digamos) los 10 mV inferiores o superiores del rango de los ADCs porque no puedes garantizar que el ADC no haya llegado a los "topes finales": -

La imagen anterior muestra el efecto de los errores de cero y de ganancia y tenga en cuenta que estos pueden ser aditivos y sustractivos.

Por lo tanto, usted tiene que lidiar con el error de cero y el error de ganancia y, reduce su rango numérico real - usted tiene que vivir con esto, por supuesto, o calibrar cada entrada ADC específicamente.

Si miras en la página 374 te da números reales: -

• El error de desviación se cita como 2 LSBs en una referencia de 4V y esto significa que el cero puede ser 0V +/- 7,8 mV.
• El error de ganancia es también de 2 LSBs pero tienes el error añadido de que la referencia de voltaje no es exactamente de 4,0960000 voltios. Busque la tolerancia en eso.

En resumen, utiliza un op-amp de carril a carril que sea bueno para bajar a 10 mV y vive con el problema como hace todo el mundo.

Answer 3

En primer lugar, es un desperdicio utilizar un amplificador de instrumentación si la entrada está referenciada a tierra, un op-amp normal en configuración no inversora funcionará bien (de hecho, mejor en todos los sentidos).

Si el op-amp no llega a 0V puedes poner un diodo en serie con la salida así:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

También puedes crear una alimentación negativa para el op-amp, pero en general eso causa problemas adicionales ya que el op-amp puede ahora oscilar lo suficientemente negativo como para exceder el máximo absoluto de voltaje negativo de entrada del chip. Para algunos MCUs puedes mantenerte dentro de los límites creando una alimentación que no exceda los -300mV, y de hecho hay un chip de bomba de carga diseñado para hacer precisamente eso. También hay soluciones de emergencia como añadir una resistencia en serie y un diodo Schottky a tierra, pero pueden tener otros problemas, y ninguno de ellos está garantizado. no para causar problemas (tal vez sutiles) en el funcionamiento normal, incluso si no superan la tensión máxima absoluta o las especificaciones de corriente de entrada.

Otra posibilidad que puede o no funcionar, dependiendo de los internos del in-amp que utilices, sería elevar el pin de referencia a (digamos) 20mV y tirar las cuentas inferiores del ADC. Si un nodo interno del amplificador se satura, puede que no funcione y existe el problema adicional de proporcionar la fuente de 20mV de baja impedancia para la referencia, ya que la mayoría de los amplificadores no tienen un buffer interno para la referencia.

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Hay que tener un poco de cuidado cuando se trabaja muy cerca de la saturación del amplificador, pero sin llevarlo al carril - las características pueden cambiar un poco y la micro inestabilidad cerca del carril puede resultar. Por supuesto, no encontrarás esto en la hoja de datos y los macromodelos pueden no modelar con precisión el comportamiento.