전압 분배기를 넘어서 Arduino Analog In을위한 스케일링 전압


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최근에 일부 광섬유 벤드 센서를 만들었으며 Arduino를 통해 컴퓨터에서 얻은 값을 컴퓨터에서 읽고 싶습니다. Industrial Fiber Optics 의이 포토 다이오드 로 빛을 측정하고 있습니다. 현재 다른 쪽 끝에 LED와 포토 다이오드 2.2V를 제공하고 있습니다. 제 질문은 포토 다이오드에서 멀티 미터로 측정 한 전압 변동이 선형이지만 섬유가 변형 될 때조차도 아주 작다는 사실과 관련이 있습니다. 파이버가 직선 인 경우 파이버에 따라 (동일하게 점수를 매기는 어려움) 전압은 예를 들어 1.92V 정도이며 굽히면 1.93-1.94V까지 올라갑니다. 소프트웨어에서 확장 할 수있는 것과 동일한 전압을 얻는 것에 대해 걱정하지 않습니다.

내가 걱정하는 것은 Arduino로 A / D를 수행 할 때 해상도가 떨어지는 것입니다. 전압 변동이 10mV 정도라면 Arduino의 10 비트 A / D가 전압 분배기로 전압을 최대 5V까지 올리더라도 지옥을 양자화하지 않습니까? 내가 찾고있는 것은 아날로그 스케일러입니다. Arduino A / D의 전체 범위를 활용할 수 있도록 0V ~ 5V의 전체 범위를 커버하기 위해 1.92와 1.94 사이의 범위를 어떻게 확장 할 수 있습니까?

나는 이것이 전자 장치에서 일반적인 작업이어야한다고 생각하지만 공식적으로 연구 한 적이 없으므로 많은 것들이 나에게 잃어 버렸습니다.

다브는 "왜 벤드 감지에 광섬유를 사용 하는가? 광섬유가 구부러 졌을 때 전압 변화를 예상하는 이유는 무엇인가?"라고 생각할 수도있다. 케이블이 스코어링에서 구부러지면 케이블에서 더 많은 빛이 방출되어 수신기의 전압 강하가 발생하고 그 반대도 마찬가지입니다.)


수신기의 회로도를 보여줄 수 있습니까? 1.9V의 바이어스 전압을 공급하고 있습니까?
endolith 2009

수신기 자체의 회로도를 의미하는 경우 위의 데이터 시트에 링크했습니다. 여기 다시 있습니다 : i-fiberoptics.com/pdf/IFD91.pdf 내가 어떻게 연결되어 있는지 의미한다면 사진에서 볼 수 있습니다. 수신자는 검은 색입니다. 나는 빨간 선을 통해 2.2V (사진에서 리튬 이온 배터리 임)를 주황색 점이있는 수신기 측면으로 보내고, 접지되는 저항의 전압을 측정하고 있습니다. 반대편.
테라스

답변:


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내가 정확하게 이해한다면, 1.9V 신호 위에서 10mV의 변화를 "읽을"수 있기를 원합니까?

이 경우 두 가지 단계를 제안합니다. 첫 번째는 포토 다이오드 증폭기입니다 (9 페이지가 가장 표준적인 회로입니다). 이렇게하면 포토 다이오드의 전류를 전압으로 변환하는 데 도움이됩니다.

두 번째 단계는 Texas Instruments의 INA 제품군과 같은 계측 증폭기입니다 (최고이지만 비쌀 수도 있음). 이렇게하면 "공통 모드"신호 (이 경우 1.9V)를 제거하는 데 도움이됩니다. 또한 계측 증폭기에 게인을 추가하거나 끝에 비 반전 구성에서 간단한 연산 증폭기를 추가하여 이득을 얻을 수 있습니다 필요한 5V까지의 신호

나는 그것이 완벽 할 것이라고 말하지는 않지만 좋은 출발이라고 생각합니다.

마지막으로, 클램프에 대한 David의 아이디어는 A / D 컨버터에서 일부 측정 오류가 발생할 수 있지만 위의 아이디어를 좋아합니다. 더 중요한 것은 스윙을 할 수 있다면 741보다 더 나은 연산 증폭기를 사용해보십시오. 일반적이지만 사양은 끔찍합니다. 입력 단자에서 3 또는 4mV의 오프셋 전압은 측정하려는 작은 신호를 엉망으로 만들 수 있습니다.

~ Chris Gammell


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계측 증폭기가 필요하지 않습니다. 간단한 diff amp가 할 것입니다. 하지만 기준으로 사용하려면 일정한 1.9V 전원이 필요합니다. 나는이 같은 것이 이미 센서의 바이어스로 회로에 있다고 생각합니다. 회로도를 갖는 것이 도움이 될 것입니다. 또한 바이어스를 제거한 후 다른 바이어스를 다시 추가하여 ADC의 0V와 5V 범위 사이를 유지해야합니다.
endolith 2009

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나는 당신이 필요하지 않다는 것에 동의하지만, 좋은 생각입니다. 인스 트루먼 테이션 앰프는 버퍼가있는 diff 앰프 일뿐입니다. 단지 diff amp를 사용한다면 diff amp에있는 저항을 사용할 수 있습니다. 때로는 1K만큼 낮습니다. 만약 그가 무언가를 측정하려고한다면, (iAmp의 버퍼로부터의) 높은 임피던스가 실제로 도움이 될 수 있습니다 (즉, 측정 장치로 전류가 흐르지 않음).
Chris Gammell

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이러한 의미에서 신호 컨디셔닝은 매우 일반적입니다. 10mV 범위를 (예를 들어) arduino의 전체 0-5V 범위로 확장하기 위해 증폭기를 사용하려고합니다. 이것은 LM741과 같은 연산 증폭기를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 신호 컨디셔너의 출력 / ADC에 입력 된 값에 "전압 클램프"(예 : 제너 다이오드 2 개)를 사용하여 값이 5V를 초과하지 않도록 할 수도 있습니다. op-amp 데이터 시트 및 / 또는 신호 컨디셔닝 회로를 온라인으로 둘러 보는 경우 원하는 것을 정확히 찾을 수있는 가이드를 찾아야합니다.


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센서 출력이 "+"입력으로 가고 DAC가 "-"입력으로가는 차동 PGA (프로그래밍 가능한 이득 증폭기)와 DAC의 조합을 살펴보십시오. (또는 동등한 기능을 제공하는 통합 된 제품) 기본적으로 낮은 게인으로 신호를보고 오프셋이 무엇인지 파악하고 해당 전압을 DAC에 넣고 게인을 올리십시오.

TI의 PGA308 은 훌륭한 솔루션 인 것 같습니다.

보다 저렴한 솔루션을 원한다면 고정 이득 차동 증폭기 (표준 4 저항 + 연산 증폭기) + 안정적이고 조용한 8 비트 DAC (정확도보다 더 중요한 안정성 / 잡음 특성)를 사용하십시오. diff amp에 대한 "+"입력의 센서 출력과 "-"입력의 DAC 출력.

독자를위한 연습 : DAC의 이진 검색 기술을 사용하여 게인이 포화 범위에서 선형 범위로 확산되고 이득이 G1 = 풀 스케일 ADC 입력 전압보다 크지 않은지 확인하십시오. DAC의 공칭 스텝 크기와 DNL (차동 비선형 성)의 합으로 나눈 값입니다. 아마도 G2 = 풀 스케일 ADC 입력 전압을 관심있는 센서 출력 전압 범위로 나눈 값 (G1 / 2)과 G2 중 작은 것을 사용했을 것입니다.


시간 제약이 주어진 순간 지금은 너무 야심적이지만 제안에 감사드립니다. 미래의 프로토 타입을위한 아날로그 신호 컨디셔닝에 대해 더 깊이 알게되어 기쁩니다.
테라스

왜 DAC가 필요합니까? 당신은 그것으로 DC 오프셋을 생성하고 있습니까? 오히려 과잉 인 것 같습니다.
endolith 2009

네. DAC는 넓은 범위에서 DC 오프셋을 변경해야한다는 가정을 전제로했습니다. 공차 분석이 올바르게 수행되었다고 가정 할 때 전압이 좁은 범위에 걸쳐있는 시스템을 사용하는 경우 저항 분배기와 기준이 오프셋 전압을 생성하기에 적합 할 수 있습니다. 또는 좀 더 복잡한 경우 저항 네트워크 + 멀티플렉서 (일부 DAC)입니다. 초고속 또는 초 고해상도가 필요하지 않은 경우 DAC는 그렇게 복잡하거나 비싼 장치가 아닙니다.
Jason S

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광섬유를 구부림 센서로 사용하는 것은 좋지 않은 선택 일 수 있습니다. 광섬유의 핵심은 최소한의 손실로 모서리 주위의 빛을 쉽게 구부릴 수 있습니까?


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예. 그러나 재킷을 벗기고 면도날로 한쪽면의 클래딩을 가볍게 긁으면 섬유의 구부림에 따라 통과하는 빛의 양이 달라집니다. 좋은 기능은 양방향 신호를 얻는 것입니다. 점수를 구부리면 빛이 덜 들어오고, 구부러지면 빛이 더 많이 들어옵니다. 이를 위해서는 기존의 두 가지 벤드 센서를 사용해야합니다. 그들은 또한 시원해 보인다.
테라스

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차동 입력을 사용하여 1.9v 표준 (또는 표준에 가까운)과 그 차이의 분해능을 높이는 증폭기가 필요합니다.

최상의 결과를 얻으려면 외부 고품질 계측 증폭기 또는 연산 증폭기를 사용해야합니다. 그러나 마이크로 컨트롤러에 내장 된 기능을 사용해 볼 수 있습니다. Arduino Mega (ATMega2560 칩)와 Arduino Leonardo는 칩에서 바로 ADC에 대한 차동 증폭 입력 옵션을 포함합니다. (우노는 이것을 가지고 있지 않습니다). ATMega2560은 여러 센서에 대해 증폭 된 차동 ADC의 여러 채널 (멀티플렉싱)을 수행 할 수 있습니다. 데이터 시트를 읽고 어떤 핀 조합이 가능한지 확인하십시오. 그것은 200x 증폭 옵션을 가지고 있으며, 이것은 25mv에서 전체 1024 단계 해상도를 갖습니다. 25mV 창을 필요한 곳에 배치하면됩니다.

그것은 당신의 목적을 위해 충분히 소음이 들지 않을 수도 있습니다-더 많은 $$를 위해 외부 적으로 만들 수있는 것만 큼 고품질이 아닙니다.

어려운 부분은 비교할 안정적이고 정확한 1.9v 기준을 얻는 것일 수 있습니다.


이것을 말하기 위해 여기에 왔습니다. +1!
Nick Johnson
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