Medindo a resistência de um fio com um ADC

Estou tentando projetar um circuito que possa medir pequenas resistências até 0,1 Ohm e um máximo. de 10 Ohms. Não medirei resistores reais, mas uma bobina de fios grande, de até 500 m (como você pode imaginar, esses fios são bem grossos).

Aqui está o circuito que inventei:

O circuito funciona mantendo uma corrente constante através do dispositivo em teste, R2. Com uma corrente de 100 mA, o R2 desenvolveria uma tensão entre 10 mV e 50 mV.

Eu acho que em um mundo ideal isso funcionaria, mas na prática eu posso ter dificuldade em medir 0,1 Ohms com isso - principalmente devido ao ADC. Vamos supor que o ADC seja de 10 bits com VREF de 5V. Isso se traduz em 5mV por etapa. Se R2 = 0,1 e Iout = 100 mA, a tensão presente no ADC seria de 50 mV - mas não tenho certeza de quão enterrado isso seria.

Minha pergunta é: devo aumentar o ganho para, digamos, 50. Se o ganho for 50, a tensão presente no ADC seria de 500 mV - mas a máxima. resistência mensurável seria 1 Ohms. Para medir 10 Ohms, eu precisaria diminuir a corrente para 10 mA em vez de 100 mA. Uma maneira de fazer isso seria usar um FET para desligar o R1 e conectar um resistor de 20 Ohm em Iout.

Não preciso do circuito para medir a resistência com precisão - uma tolerância de +/- 10% é boa.

Por favor, não use um LM324 se você quiser fazer medições de precisão.

Seu opamp possui um ganho de 5, mas você não está usando isso: sua saída é a entrada inversora, na qual você tem o mesmo sinal que o não inversor, portanto esse é o ganho x 1.

A melhor opção seria um amplificador de instrumentação, onde você conecta as extremidades do cabo às duas entradas. Use um resistor em série para aterrar para criar um deslocamento, porque o InAmps não pode ir para os trilhos (pelo menos os tipos de 3 opamp não). Você pode usar esse resistor como um resistor sensor para a fonte atual:

$V_{IN}$ define a corrente da fonte atual: 100 mA / V. Suponha que a resistência do cabo seja 5 Ω, então o InAmp verá uma diferença de 500 mV em sua entrada. Um ganho de 10 (o resistor de ganho não é mostrado; o CircuitLab não possui um símbolo para InAmps) fornecerá 5 V de saída ou 1 V / Ω. Alterando você pode alterar o ganho total. Observe que o Q1 pode precisar de um dissipador de calor, especialmente se o Vcc for bastante alto. $V_{IN}$

Se você espera altas resistências, poderá fazer um divisor de resistores com 1 resistor de precisão para Vref e um com aterramento:

A tensão através do cabo será

$V_{CABLE} = \dfrac{R_{CABLE}}{R_{CABLE} + 2 R} V_{REF}$

mas se << a tensão pode ser muito baixa para uma medição precisa. Um valor baixo para ajuda, mas consumirá muita corrente.$R_{CABLE}$$2 R$$R$

O MCP6N11 possui saída Rail-to-Rail e existe em diferentes tipos para diferentes ganhos, dentre os quais um para um ganho mínimo de 100.

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markrages comenta que não precisamos de um InAmp, e ele está certo. Aqui está a solução com um amplificador diferencial usando um opamp:

O ganho é determinado por R1 a R4 e se R1 = R3 e R2 = R4 serão

$G = \dfrac{R2}{R1}$

No entanto, um InAmp fornece mais precisão e não custa um braço e uma perna; então, por que não?

Antes de tudo, essa configuração não permitirá que você obtenha uma faixa de 0 ± 5V na entrada ADC. Simplesmente porque o LM324 não pode balançar até o trilho positivo. Ele também apresentará tensões de deslocamento em potencial que certamente serão capazes de arruinar uma medição de 10 a 50mV.

Sugiro adquirir um amplificador de instrumentação ou um amplificador de ganho selecionável, como o MCP6G01 . Com um ganho selecionável de 1 a 100, você poderá manter alguma precisão dentro de 2 ordens de magnitude (por exemplo, de 0,1 a 10 Ohms).

Ok, você pediu minha versão do circuito.

• Isso usa uma fonte de corrente opamp + BJT com um intervalo de três décadas. A faixa da fonte de corrente é selecionada aterrando um dos três resistores. Você provavelmente pode atingir suas metas de precisão usando saídas AVR para alternar os três resistores. Alterne entre a saída baixa (para ativar) ou a entrada (para desativar). A entrada analógica é melhor, mas a tensão será alta sem ambiguidade, portanto a entrada digital está OK. Para melhor precisão, conecte o 4K ao resistor em dois pinos. A resistência de saída de uma saída digital AVR é ​​de cerca de 25 ohms:

  .

• A linha de + 5V é usada para a referência da fonte atual e do ADC. Variações na tensão de alimentação serão canceladas. A alternativa seria ter uma referência na fonte atual e uma referência no ADC ... não necessária aqui. Os ADCs de microcontrolador geralmente gostam de usar os trilhos de suprimento como referência.

• Você deve fazer quatro conexões com o dispositivo em teste. Duas das conexões fornecem a corrente e duas apresentam a tensão no dispositivo em teste no circuito de medição. É necessária uma conexão de quatro fios para medir baixas resistências (<1 ohm)! Caso contrário, você está medindo a resistência da sonda por acidente.

• A tensão de offset do opamp é o parâmetro mais importante. Use um amplificador de helicóptero e não se preocupe. Especifiquei o OPA2333, que é um bom amplificador lento que sempre funcionou bem para mim.

• Se a resistência da sua sonda for maior que cerca de um ohm, você deve usar o amplificador de instrumentação completo. Mas com sondas razoáveis, isso deve atender às especificações como estão.