Ampli Di Tensione Per Interfaccia Sensore/Arduino

[SonoMeStesso]

Ciao a tutti,

vorrei realizzare un sensore di ossigeno interfacciandolo con un arduino 2009. Per adesso sono ancora nella fase di studio del progetto. Quello che vorrei avere è un aiuto sulla rete di amplificazione tra il sensore e l'arduino. Il sensore produce una tensione di uscita proporzionale all'ossigeno che misura, che è compresa tra 7mV e 13mV. Vorrei quindi amplificarla per renderla leggibile sull'input analogico della 2009. Ho pensato ad un OpAmp in configurazione non invertente

vorrei sapere, cortesemente, se il circuito in figura può andare bene oppure se devo aggiungere altri elementi alla rete. per l'OpAmp ho pensato ad LM158.

Grazie a chiunque voglia rispondermi

[Livio Orsini]

La topologia è canonica, però far guadagnare quasi mille ad un solo stadio non mi sembra l'ideale. Io sudividderei in due stadi invertenti con sommatore sul primo per togliere i 7 mV di offset ed ampliare la dinamica della misura.

E' necessario scegliere un buon ampli molto stabile e doppia alimentazione.

[SonoMeStesso]

Grazie Livio per la tua risposta e per la tua disponibilità. Vorrei sviluppare la risposta che gentilmente mi hai dato.

- Mi suggerisci di scegliere un OpAmp caratterizzato da una buona stabilità. Come posso, a partire dal datasheet, capire se un opamp ha una buona stabilità? quali caratteristiche sono più indicative dal punto di vista della stabilità che devo guardare confrontando per esempio tra due opamp?

- La scelta di un operazionale a doppia alimentazione è legata proprio alla stabilità, oppure a qualche altro fattore?

- Infine per quanto riguarda il sommatore per eliminare la tensione di off-set, all'ingresso del sommatore i 7mV da sottrarre al segnale del sensore come li potrei ottenere? posso utilizzare uno Zener con due resistenze in serie, prelevare ai capi di una delle due resistenze i 7mV, portarli all'ingresso di un operazione in configurazione buffer magari sul morsetto negativo per trasformarli in -7mV, e poi appunto sommarli sul primo stadio di amplificazione. Secondo te, o chiunque sia così gentile da aver voglia di rispondere , una soluzione del genere può essere adeguata?

Grazie a chiunque voglia rispondere

[Livio Orsini]

Tutto dioende dalle precisioni che vuoi ottenere.

La tensione di riferimento per togliere l'offset la puoi ottenere da un rifermento di tensione (voltage reference) pasta consultare i siti National e TI per avere tutte le possibilità di scelta. Oppure puoi optare per una soluzione più casalingna con uno zenere da 4,7 V con in serie un diodo; in questo modo si compensano le derive di temperatura.

Per gli ampli io farei riferimento ai tipi "High stabiliy" dei vari produttori come Linear, TI, National, BB, etc. I parametri da tenere in considerazione sono essenzialmente quelli che sono legati alle derive termiche.

La doppia alimentazione è necessaria se si usa la configurazione invertente; il primo stadio avrà in uscita un segnale negativo.

[ludo69]

una volta vidi un circuito molto furbo per annullare l'offset di ingresso, offset che potrebbe anche cambiare con la temperatura, l'invecchiamento, ecc....

Il circuito consiste in un amplificatore con entrata ed uscita differenziale, agli ingrassi e all'uscita metti due deviatori analogici comandati insieme da un unico clock (diciamo intorno ad 1KHz) in maniera che il segnale entra dal lato non invertente ed esca dal lato non invertente, oppure entri dal lato invertente ed esca dal lato invertito.

Così facendo il segnale risulta sempre correttamente amplificato, ma l'offset dell'amplificatore che si sovrappone è ora in più ora in meno per via della scelta del ramo amplificatore tutto diretto/tutto invertito, ovvero sovrapposto al segnale (corretto) in uscita avrai anche un'onda quadra alla frequenza di CK che avrà un'ampiezza picco picco pari al doppio dell'offset dell'amplificatore.

Se ora fai passare il tutto in un passabasso che elimina la frequenza di CK (la cui media è ZERO) otterrai la tua tensione SENZA l'offset dell'amplificatore.

Questa tecnica si può applicare, ovviamente, solo per amplificare segnali che variano lentamente come mi pare essere il tuo caso.

La topologia circuitale dovrebbe chiamarsi "amplificatore chopper"

Questa tecnica ha delle varianti, intanto guarda quì:

http://en.wikipedia....er_(electronics) attento: metti tu la chiusura della parentesi dell'indirizzo se non te la copia in automatico...

"http://students.washington.edu/iabraham/techDocs/chopperStabilzation_20FEB2009.ppt#258,5,General Schematic & Results"

Modificato: 25 giugno 2012 da ludo69

[Livio Orsini]

Nei primi anni 60 quando costruii i miei primi aplificatori operazionali con transistori al Ge (perchè quelli al Si eran troppo costosi) usavo un tecnica simile per avere un amplificazione in continua con una stabilità decente. Solo che come interruttore si usava un chopper elettromeccanico che commutava a poco più di 100 Hz, però era sufficiente per amplificare in alternata ed usare un tasso di controreazione tale da stabilizzare il tutto. Con quegli OA si costruiva un calcolatore analogico!

Però con la componentistica odierna non è più necessario trasformare la continua in alternata per poter stabilizzare l'amplificazione.

Nel caso in oggetto basta un amplificatore decente a FET del costo di un paio di euro per risolvere il problema

[SonoMeStesso]

Grazie Livio per le risposte credo che opterò Reference Diode della National e grazie anche a Ludo69 per il link alle slides sul chopper.

[Livio Orsini]

Se ti interessa ho provato a fare una simulazione con LTspice (gratuito dal sito Linear) ed irisultati con un bistadio invertente con ampli a FET son più che buoni.

Schema

Modificato: 26 giugno 2012 da Livio Orsini

[SonoMeStesso]

Mi interessa sicuramente, grazie della dritta del software che sicuramente mi tornerà utile. Non ho risposto prima perchè, nonostante la temperatura di questi giorni sono riuscito a prendere l'influenza..vabbè sorvoliamo. Ti andrebbe cortesemente di postarmi lo schema generale, oppure di descrivermelo come hai realizzato il bistadio con i FET. Ti ringrazio in ogni caso per la disponibilità che hai mostrato

[Livio Orsini]

Lo schema è quello del link

[SonoMeStesso]

Grazie, mi era sfuggito il link . In effetti è uguale a quello che avevo disegnato io, tranne che per le resistenze verso massa collegate al morsetto non invertente e per il riferimento di tensione in ingresso al sommatore per eliminare l'offset.

Infatti vorrei sapere perchè si aggiungono queste resistenze (dal morsetto non invertente verso massa) invece di collegare direttamente a massa ed in che modo vengono dimensionate?

Infine c'è un'ultima cosa che vorrei sapere..io non ho ben compreso come realizzare un riferimento di tensione di 7mV. A partire da un voltage reference, che fornisce tensioni di qualche volt, per esempio 5V, come faccio ad ottenere un valore così basso come 7mV? con una rete resistiva? ..nel mio disegno avevo realizzato una soluzione "posticcia", cioè prima il segnale proveniente dal sensore lo facevo passare nell'ampli a due stadi, che mi amplificava più del necessario, poi nel sommatore eliminavo l'offset sommando il segnale del sensore con il riferimento che però era decisamente più alto dei miei 7mV. ma non è che mi piacesse molto..

e grazie ancora per la tua disponibilità

[Livio Orsini]

Il resistore sull'ingresso non invertente permette all'ampli di lavorare in differenziale minimizzando gli effetti degli offset di corrente. La regola pratica vuole che il valore di questo resistore sia all'incirca pari al parallelo di R_s || R_f Anche se valorri più elevati non incidono più di tanto.

Nella topologia dell'esempio puoi benissimo collegare i 2 generatori di tensione in differenziale, connettendo il alto freddo all'ingresso non invertente invece che a zero volt. Ovviament il guadagno aumenta, ma aumenta anche la reiezione di modo comune.

Per eliminare l'offsett tramite una controtensione i metodi non sono molti.

Io ti consiglio l'uso di un generatre di riferimento con tensione di circa 2 V, ce ne sono parecchi tipi a prezzi non elevati e con buona stabilità (National e TI). Poi un partitore resistivo con componenti ad alta stabilità, quindi resistori con 1% non per la loro precisione ma per la loro stabilità. Un potenziometro multigiro di basso valore ohmico per l'aggiustaggio fine completa la rete.

[contecavour]

Ciao anche io ho un problema simile.

Uso una cella di carico che eccito con 5V ha

Rated Output 0.8±0.1 mv/V

Quindi mi aspetto massimo 4 mV.

Arduino legge da 0 a 5V quindi devo avere un gaudagno di 1250.

Che componente commerciale mi consigliate?

Possibilmente da monatre in breadboard.

Grazie

[Livio Orsini]

Di componenti adatti ce ne sono parecchi. Non posso che dirti di far riferimento a quanto scritto in precedenza.

Basta ricercare nei siti National, TI, Linear, Burr Brown, Analog Device, maxim, etc. Oppure verificare nel catalogo RS o altri venditori. Per gli amplificatori scegliere OA con ingresso a Fet e bassa deriva. In genere nel datasheet di questi ampli trovi anche una configurazione "strumentale" basata su di un quadruplo ampli. Anche gli ampli dello schema di riferimento sono adatti allo scopo.

[contecavour]

Non me ne intendo di componenti.

Vedo un sacco di parametri di cui non ho evidenza.

Tipo frequenza, stabilizzatore, piedinatura, carcassa, numero canali, banda di tarsmissione, campo delle tensioni...

Io so solo che devo alimentarlo a 5V, che ho un Rated Output di 0,8e mV/V e quindi mi sono calcolato (spero in modo corretto) una tensione di uscta tra 0 e 4 mV e che su Arduino devo entrare con una tensione tra 0 e 5V.

Che parametri devo considerare e quali no?

Preferirei qualcosa di elementare anche come montaggio, tipo 6 piedini (meno penso sia impossibile).

Poi parlavi di doppio stadio, come lo capisco?

Grazie

Nic

Poi vedo anche una categoria Amplificatori operazionali, PGA/VGA ...che copsa significa?

Grazie

[Livio Orsini]

Un minimo di conoscenze specifiche di circuitistica è indispensabile per realizzare un dispositivo con prestazioni non proprio banali.

Lo schema che ho allegato l'ho verificato in simulazione ed è funzionante.

I contenitori per AO sono da 8 pins, da 14 pins e da 16 pins. Dipende dal modello e dal costruttore.

Il doppio stadio lo capisci perchè son due ampli in cascata. Però per realizzare quello che vuoi fare, se vuoi avere un minimo di garanzia di affidabilità dei risultati delle misure, deve avere 4 stadi e lavorare in differenziale.

Gli ampli a cui fai riferimento sono a guadagno variabile programmabile.

[contecavour]

Allora dopo una serie di aiuti e consigli vari, avrei scelto l'opAmp LM358

So che non è un rail to rail, ma volevo trovarlo in negozio, mi serviva DIP (per la breadboard).

Setterò Arduino con una tensione di riferimento a 3.3 V.

Alimenterò l'opAmp a 5V e cercherò di fargli fare un guadagno di 750 con solo uno stadio.

Sceglierò la soluzione invertente.

Quindi si pensava ad una resistenza da 100 e una da 75K

Mi è stato consigliato di mettere un condensatore in parallelo alla resistenza da 75k, mi sono calcolato circa C=0,2122 uF

Vi sembra corretto?

Quindi a questo punto so che il sensore ha questi dati

http://www.phidgets.com/documentation/Phidgets/3132_0_Datasheet.pdf

Input Impedance 1090±10 Ohm

Output Impedance 1000±10 Ohm

Insulation Resistance (Under 50VDC) ≥5000 MOhm

Rated Output 0.8±0.1 mv/V io alimento a 5V

Consigli se la resistenza di ingresso va bene a 100 ohm?

Il condensatore è tarato bene?

Grazie

N

[Livio Orsini]

Alimenterò l'opAmp a 5V e cercherò di fargli fare un guadagno di 750 con solo uno stadio.

Pessima soluzione!

Consigli se la resistenza di ingresso va bene a 100 ohm?

No! >10k

[contecavour]

Ok allora andrò a comprare una 10k.

Perchè è migliore? (scusa ma non me ne intendo proprio di elettronica analogica)

Immagino mi consigli di usare entrambi gli stadi vero?

Che proponi?

N

[Livio Orsini]

La soluzione più adatta è quella che ho proposto in precedenza: amplificatore per strumentazione con ingresso differenziale, in pratica son quattro operazionali.

Già il circuito di cui ho proposto lo schema è meglio di un monostadio.

In questo caso "tiranado" al massimo con un solo stadio aumentano derive, instabilità, etc. e la ripetibilità e precisione della misura diventano pessime.

Il guaio è che l'elettronica analogica non si può abborracciare alla meno peggio, almeno quando le presazioni richieste non sono proprio banali.

[contecavour]

Io avrei dovuto solo leggere una tensione da un sensore di peso.

E concentrarmi su tutto il resto, è che il sensore ha sta tensione bassissima.

Sono riuscito a lavorare sulla programmazione e scendere a 3.3V come segnale massimo di ingresso e una risoluzione di 10 bit.

Ma un po devo amplificare per forza.

Non avendo ricordi degli studi ho chiesto aiuto.

E mi sono scontrato anche col reperire i componenti.

Con il LM358 che ho preso a due stadi fare un 27 o 28 per ogni stadio è cosi disastroso?

Grazie

N

PS.

Ma non c'è nulla in commercio di piu semplice che mi amplifichi una tensione da 0-4.8 mv a 0-3.3 V ?

[Livio Orsini]

Se Arduino accetta anlogiche 0 - 5 V è preferibile usare questo fondo scala, specie se già alimenti il tutto a 5 V. Tieni presente che devi anche lasciare un minimo di margine al f.s. della cella.

Con il LM358 che ho preso a due stadi fare un 27 o 28 per ogni stadio è cosi disastroso?

No non è disastroso, ma se vuoi misure precise è necessario avere la massima stabilità possibile. Più i guadagni sono alti più sono influenzati dalle derive.

Ma non c'è nulla in commercio di piu semplice che mi amplifichi una tensione da 0-4.8 mv a 0-3.3 V ?

Se non vuoi avere problemi di amplificazione devi acquistare una cella amplificata.

Molti produttori di celle di carico forniscono amplificatori specifici per le loro celle.

Però se è materiale di qualità non è certo a buon mercato.

Modificato: 7 agosto 2012 da Livio Orsini

[contecavour]

Grazie Livio, cercherò anche quelle.

Anche se riuscira a gestire un minimo il segnale mi sarebbe piaciuto, ma vedo che è troppo complesso e dipende da troppi fattori.

Il LM358 purtroppo non è rail to rail quindi a 5v come avrei voluto, non ce la fa.

N

Cerco e ricerco ma son tutte nell'ordine di grandezza dei millivolt/V

http://www.laumas.com/celletutte_it.htm

[Livio Orsini]

Certo le celle di carico danno in uscita valori di tensione di questo ordine, però i costruttori di celle offrono anche l'elettronica di amplificazione. Devi ricercare tra i prodotti nel sito del costruttore.

[contecavour]

Ma livio, e questo:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina125.pdf

Che ne dici?

N