Arduino Nano: Medindo pequenas tensões com uma entrada analógica

Preciso medir 0v a 40mV com a maior precisão possível com o ADC de 10 bits em um Arduino Nano . Eu só preciso de aproximadamente uma amostra por segundo.

Eu pretendo manter o pino AREF a 40mV acima do solo, proteger tudo corretamente, usar filtros passa-baixos em hardware e software e usar uma fonte de alimentação adequadamente suavizada.

Que tipo de precisão tenho probabilidade de obter?
O que mais eu poderia fazer para melhorar a precisão?

arduino adc

— CL22
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Verifique a folha de dados do seu controlador para obter as tensões de referência de gap de banda disponíveis. Em seguida, projete um amplificador que amplifique o sinal máximo para pouco abaixo da tensão de referência.

— jippie

Respostas:

Existem melhores especialistas no ADC do Nano do que eu, mas tenho certeza de que haverá alguns problemas, então sugiro um amplificador com certeza. Eu recomendaria um amplificador operacional de 5V (ou o que o nano usa) e 0V. O amplificador operacional precisará de recursos de trilho para trilho na entrada e na saída e será configurado no modo não inversor, com ganho que converte 40 mV em escala completa no nano.

insira a descrição da imagem aqui

Se a escala completa for (digamos) 3V, você precisará de um ganho de 3 / 0,04 = 75. Isso significa R2 / R1 = 74 (75 menos 1).

R1 ficará feliz por ter 100 ohms e, portanto, R2 terá 7400 ohms (7k5 em paralelo com 560k dá 7k401, que esperamos estar perto o suficiente. O amplificador operacional só é necessário para rodar em velocidades lentas depois de ler sua pergunta e existem várias dispositivos que sirvam. Segure fogo enquanto eu respondo e dou uma olhada ...

O AD8538 parece adequado e o AD8628 também, mas provavelmente existem vários outros que se encaixam facilmente na conta

— Andy aka
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A escala completa é Vcc, mas fornecer uma tensão de referência no pino AREF permite uma referência em escala menor, conforme necessário. No entanto, a amplificação ainda é desejável, pois AREF abaixo de 1,0 Volts não funciona com AFAIC (nenhuma evidência documental, apenas alguns problemas que enfrentei).

— Anindo Ghosh

Por que não resistores E12 mais comuns? A proporção exata não é muito importante, desde que você a compense. Por exemplo. 12k ÷ 150 = 80 ou 33k ÷ 470 ≈ 70. É claro que este é o caso da tensão de saída de 3V, o que provavelmente não é o ideal.

— jippie

@ippie Eu concordo totalmente, mas minha resposta "sugere" como colocar resistores em paralelo e eu não tinha certeza se o OP sabia disso. Ele recebeu uma resposta extra de graça !!

— Andy aka

+1 para a sugestão de amplificador operacional, o AD8538 é o favorito pessoal, especialmente no pacote SOT23 - sem pinos sem sentido, excelente comportamento térmico.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh - 20 meses depois. A folha de dados ATMega328 parece não dizer em nenhum lugar de suas 650 páginas qual faixa de valores é válida para a tensão Aref aplicada externamente, MAS todos os muitos gráficos em que é mencionado têm um limite inferior de 1,8V :-(. Vcc pode ser> = 1,8 V e AVCC pode ser Vcc-0.3V assim tão baixa quanto 1,5 V é legal Usando a referência 1.1V banda proibida interno dá uma tensão ADC max inferior baixa externo V_ARef pode ser legal mas não é certa...

— Russell McMahon

Originalmente, não pretendia adicionar isso como resposta, mas parece importante deixá-lo se afogar em algum lugar nos comentários.

É da maior importância recorrer à folha de dados do seu microcontrolador. E se eu estiver certo sobre o Arduino Nano ter o ATmega 168, aqui está a folha de dados . Características elétricas é uma seção que você precisa conhecer e verificar as coisas primeiro.

O ponto é: a voltagem mínima de referência é 1,0 V - você pode vê-la na página 311. Você precisará amplificar seu sinal pelo menos por um fator de 25 para obter uma precisão razoável, escalando até a referência de voltagem mínima.

Agora, a melhor escolha de elementos que eu conheço (embora eu mal conheça o tópico) exigiria um amplificador operacional de baixo ruído, capaz de operar como trilho a trilho como o @Andyaka apontou, preferencialmente funcionando com a tensão de alimentação. Então eu acho que a melhor escolha da referência de tensão é a interna. Embora eles possam variar entre os dispositivos, acho que a estabilidade deve ser mais razoável. Além disso, sua escolha de resistores deve residir em resistências mais baixas do que em altas, pois são mais resistentes ao ruído. Não se esqueça da estabilidade ao longo do tempo e das mudanças de temperatura!

A melhor configuração dos amplificadores pode variar - o amplificador não inversor pode ser bom para começar, mas sua alta impedância de entrada pode não funcionar bem com o seu sinal (embora deva estar OK).

— TNW
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Por que uma alta impedância de entrada não funciona bem com o sinal? Os GPIOs do Arduino no modo de entrada são todos com alta impedância de entrada, a propósito, como também a maioria dos ADCs.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh Se a fonte do sinal tiver que ser carregada para medir e não for feita corretamente. Não sei dizer nada sobre a natureza do sinal do OP. Eu acho que a sugestão no meu post foi muito dura no amplificador - provavelmente não deveria acontecer, mas a alta impedância de entrada é algo que eu acho que é melhor estar ciente.

— TNW 17/04

Acredito que carregar uma fonte de sinal, se necessário, é uma ciência bem conhecida e, igualmente, os projetistas geralmente buscam uma alta impedância de entrada e uma baixa impedância de saída. Daí meu voto negativo sobre essa declaração não qualificada.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh Acho que seria melhor supor que a pessoa sabe menos do que mais (especialmente que 40mV ref me fez suspeitar). Eu queria ressaltar que a escolha entre amplificador inversor e não inversor não depende apenas de permitirmos a alteração da polaridade.

— TNW

-4

Você deve usar um amplificador para obter a máxima precisão.

— Leon Heller
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Obrigado - mas por quê? Os estágios extras não aumentariam o ruído e as imprecisões? Que tipo de circuito amplificador daria melhores resultados?

— CL22 17/04

Suponho que o amplificador operacional de baixo ruído na configuração não inversora possa funcionar, desde que você use resistores estáveis para manter o ganho de tensão.

— TNW 17/04

Para alguém que repreende outros usuários por não fornecerem informações, essa é certamente uma resposta simples. Você poderia adicionar alguns esquemas ou detalhes adicionais?

— 22313 Chris Laplante