Como obter uma amostra analógica de desvio zero e manter por horas?

Esse chamado opamp "desvio zero" cai em 0,001 V / s, à temperatura 85 ° C com uma tampa de 1 uF. Se estou lendo as especificações corretamente, isso é 3,6V / hora!

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf398-n.pdf

Existe um método para armazenar um V de baixa corrente por até cerca de 5 horas com desvio ou queda dentro da resolução desejada de aproximadamente 250 ppm, ou equivalente a 12 bits?

"Corrente baixa" significa escala mA ou uA.

A taxa de amostragem é entre uma vez por segundo e uma vez a cada 5 horas.

Prefiro permanecer no domínio analógico, porque quero explorar e expandir meu conhecimento analógico.

A solução deve ser prática e usar componentes geralmente disponíveis

As soluções digitais são boas, mas devem ser livres de código, por isso é acessível a não codificadores e não requer a implementação de um computador; portanto, é acessível a pessoas que não possuem um computador (como os adolescentes economicamente desfavorecidos que eu mentor) .

Não pedindo números de peça específicos, apenas o método básico.

atualização:
o fabricante confirmou que minha estimativa de queda por hora está correta. De acordo com o fabricante, a queda é amplamente influenciada pela corrente de polarização de entrada do amplificador de buffer e qualquer vazamento que possa ocorrer através do comutador - não apenas o vazamento normal do capacitor. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

Bem, parece haver soluções, embora seja uma explosão do passado ...

Uma pesquisa sobre dispositivos de memória analógica (de 1962)

"O transpolarizador, um análogo eletrostático do transfiuxor mais amplamente conhecido ..."

Para uma solução mais moderna, um micro com ADC e DAC parece ser o caminho. Além disso, ao contrário das soluções analógicas, é muito mais provável que seja estável com a temperatura, o que é sempre um bom bônus ...

Sobre letras maiúsculas: existem vários problemas.

• O valor do capacitor depende da temperatura; portanto, com uma quantidade constante de carga na sua tampa, a voltagem varia com a temperatura. O efeito será pequeno ou enorme, dependendo do tipo de tampa.

• O vazamento do capacitor depende muito da temperatura (para eletrolíticos)

• X7R é um microfone piezoelétrico.

• Absorção dielétrica significa que você carrega a tampa, desconecta-a, espera um pouco e a voltagem agora é diferente! E isso depende da tensão existente antes de você carregá-la (ou descarregá-la). Além disso, para as tampas grandes destinadas à dissociação de suprimentos, o efeito é absolutamente inofensivo; portanto, ninguém se importa com isso e, portanto, não há especificação. Não sei se depende da temperatura e do envelhecimento, mas não há razão para que isso não ocorra. Você obterá apenas uma especificação útil para bonés destinados a integradores de alta precisão e coisas assim.

Lembro-me de medir o vazamento em uma tampa Panasonic FR de 470µF 6V3. Carreguei-o em 5V por alguns minutos e o medi a cada poucos minutos. A tensão cairia rapidamente devido ao DA, depois estabilizou em torno de 4V. Deixei a tampa em uma prateleira por uma semana e medi novamente. O vazamento calculado estava nos nanoamp, mas você teria que mantê-lo na tensão desejada por um tempo (como pelo menos várias horas, se não dias), a fim de superar a absorção dielétrica ... então seria completamente inútil nesta aplicação .

Obtenha um potenciômetro motorizado. Para provar, use um opamp para levar a diferença a zero, para segurar não a mova. A precisão provavelmente será bastante baixa, mas não há desvios.

Com componentes analógicos padrão, a resposta para isso seria não, não realmente.

Obviamente, com capacitores suficientemente grandes ou outros elementos de armazenamento, você pode manter o nível dentro do diferencial desejado por um longo período, mas sempre haverá alguma perda ao longo do tempo. Além disso, o ato de extrair informações do dispositivo de armazenamento remove energia desse dispositivo.

Teoricamente, com um loop super-condutor, adequadamente isolado de quaisquer campos magnéticos externos, você pode estabelecer uma corrente indefinida. Mais uma vez, medir essa corrente envolveria remoção de energia.

ADIÇÃO

Outra alternativa pode ser a magnetização "permanente" de algum material ou substância na presença de um sensor de efeito hall. Com o material certo, você pode armazenar esse "nível" por muito tempo.

Mas, é claro, seria muito mais barato e mais fácil fazê-lo digitalmente.

No entanto, você não precisa de um micro.

A seguir, é apresentado um circuito híbrido analógico / digital de detecção e retenção de pico.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

O circuito usa um DAC seguidor para reduzir o nível de tensão de um contador para corresponder à tensão no capacitor. Quando o valor DAC é correspondido, a contagem para e a tensão de saída será mantida enquanto a energia estiver ligada ou até que o sinal CLEAR seja enviado. A tampa agora só precisa manter o nível de pico por quanto tempo for necessário para o contador aumentar essa tensão. Obviamente, a granularidade da saída depende do número de bits no contador / DAC.

Um circuito "Sample and Hold" verdadeiro exigiria uma entrada extra, como mostrado abaixo, ou alguma forma de comparador de janelas para detectar quando o contador está dentro de uma etapa do valor.

^{simule este circuito}

Se a taxa de giro do contador / DAC for mais rápida que a taxa de giro do seu sinal original, você não precisará do amostrador analógico.

Embora seja muito mais fácil em digital, você certamente pode fazer isso em analógico com uma seleção cuidadosa de peças.

Essencialmente, você precisa de três componentes de alto desempenho:

• Um capacitor de baixo vazamento
• Um comutador analógico de baixo vazamento
• Um amplificador operacional atual com baixa polarização de entrada para o seu buffer de saída

Esqueça os capacitores de cerâmica convencionais, se você planeja esperar por horas. Sua melhor aposta é um capacitor de filme de polipropileno. Bob Pease escreveu um ótimo artigo sobre a caracterização de sua taxa de vazamento: o que é todo esse material de vazamento de capacitor, afinal? É da ordem de milivolts por dia, o que provavelmente é suficiente para sua aplicação.

O switch é uma parte frequentemente esquecida disso. Você verá que mesmo os melhores comutadores analógicos de estado sólido prontos para uso apresentam vazamentos na faixa de alguns picoamp. Uma taxa de vazamento de 10 pA significa que, para uma tampa de 1uF, você drenará 180mV por um período de cinco horas. Isso pode ou não ser aceitável para você. Se você precisar fazer melhor, uma solução melhor é um relé de palheta, que apresenta vazamentos praticamente insignificantes devido ao fato de, na verdade, colocar um espaço de ar entre os contatos.

Em termos de opamps de baixa polarização de entrada, existem algumas opções disponíveis. Recentemente, usei o LMP7721 da TI em um projeto de alta impedância. Tem um Ib máximo de 20 fA à temperatura ambiente e 900 fA a 85 ° C.

Assim, podemos facilmente imaginar um projeto que incorpore uma tampa de polipropileno, um relé de palheta e um buffer baixo de Ib. Vamos imaginar que usamos:

• Um polipropileno Vishay de 0,33uF capacitor de , que possui um tempo de RC constante após vazamentos na ordem de$4 \cdot 10^5$ segundos à temperatura ambiente.

• O melhor relé de palheta da categoria , com uma resistência de circuito aberto de$10^{14} \Omega$.

• O opamp LMP7721 mencionado anteriormente .

Com os componentes acima à temperatura ambiente, você terá as seguintes contribuições de erro após 5 horas:

• Uma queda de 4,5% da constante de tempo RC do limite.
• Deriva essencialmente insignificante do relé de palheta
• Desvio essencialmente insignificante do buffer.

Isso pressupõe que você tenha um layout de baixa impedância adequado (por exemplo: máscara de solda removida da placa, use um anel de proteção acionado).

Além disso, o valor RC da tampa de polipropileno é o pior caso: o mundo real é provavelmente melhor.Correção: esse é um valor típico. No entanto, como Pease encontrou no artigo acima, uma tampa de polipropileno após a imersão pode ter um tempo constante na ordem dos anos. Isso exigirá, portanto, alguma experimentação e provavelmente um binning.

Portanto, é certamente possível fazer isso em analógico, embora provavelmente não seja prático quando a alternativa é digitalizar a saída.

Eu já vi isso feito com um relé de palheta, um amplificador operacional AD545 (existem outros melhores agora) e um grande capacitor de polipropileno de 100 volts. O fabricante do cartão pode fazer cortes no cartão que funcionem melhor do que os anéis de proteção sozinhos. O relé NÃO era do tipo moldado em epóxi, mas era do tipo "quadro aberto". O amplificador operacional estava em uma lata, mas isso não será possível nos dias de hoje.

Esta plataforma ficou estável por dias.

Solução 1

Se você conhece o declive de vazamento da sua tampa, pode repetidamente "tampar" a tampa em intervalos de tempo, para compensar a queda.

No entanto, a inclinação é provavelmente não-linear, portanto, o valor da cotação não-linear. É possível que o valor seja uma porcentagem simples do nível de cobrança do limite, o que simplificaria as coisas.

Solução 2

Se você tiver acesso ao recurso de fabricação de chips, poderá replicar esta célula de armazenamento analógica não volátil esotérica de "3 transistores e 3 transistores com resolução efetiva de 14 bits, que consiste na carga armazenada em uma porta flutuante do transistor MOS, escrita por meio de elétrons quentes injeção e apagada por meio de tunelamento de óxido de portão. Tamanho pequeno e baixo consumo de energia. "

https://pdfs.semanticscholar.org/ed68/f94ad3d4bfad1126e83d152e23e6e6e0e495.pdf

Ou essa técnica, usando a EEPROM como um dispositivo de armazenamento analógico:

https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/PUBLICATIONS/Hu_papers/Hu_JNL/HuC_JNL_194.pdf

Solução 3

Não analógico, você pode usar um chip ADC dedicado direto a uma trava. Isso poderia evitar o uso de um MCU, que mantém a solução livre de código, por OP.

Pode ser necessário usar vários chips lógicos, relógios ou contadores lógicos discretos para que a trava funcione.

Diz-se que este chip Maxim funciona sem um MCU (não é um endosso do produto).

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1041

Aqui está outro exemplo de uso de um ADC sem um MCU. Esse sistema é muito mais complexo do que o OP precisa. Por exemplo, como gravador de áudio, seus requisitos de taxa de amostragem e armazenamento excedem em muito as necessidades do OP.

http://ultimationee.blogspot.com/2011/09/digitally-recording-and-playing-back.html

Solução 4

Você pode usar potenciômetros digitais baratos e geralmente disponíveis. Eles estão disponíveis com armazenamento persistente e são simples de usar.

No entanto, sua resolução não é muito alta, variando de 100 a 256 etapas. Você pode usar 5 em série para obter 12 bits de resolução efetivos.

Pode ser acionado diretamente de um ADC na entrada, evitando um MCU. Então, basicamente, você os usaria como trava. Uma trava pode ser mais fácil.

Este link não pretende endossar nenhum produto ou distribuidor

https://www.mouser.com/Mobile/Semiconductors/Digital-Potentiometer-ICs/_/N-4c498/