Bagaimana cara mencapai sampel zero-drift analog dan tahan selama berjam-jam?

8

Ini disebut "zero drift" opamp terkulai .001V / detik, pada suhu 85C dengan tutup 1 uF. Jika saya membaca spec dengan benar, itu 3.6V / jam!

Tingkat Droop

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

Apakah ada metode untuk menyimpan V rendah saat ini hingga sekitar 5 jam dengan drift atau droop dalam resolusi yang saya inginkan sekitar 250 ppm, atau setara dengan 12 bit?

"Arus rendah" artinya skala mA atau uA.

Tingkat sampel adalah antara sekali per detik dan sekali per 5 jam.

Lebih suka tinggal di domain analog, karena saya ingin menjelajahi dan memperluas pengetahuan analog saya.

Solusinya harus praktis, dan menggunakan komponen yang tersedia secara umum

Solusi digital ok, tetapi harus bebas kode, sehingga dapat diakses oleh non-coders, dan tidak memerlukan komputer untuk diimplementasikan, sehingga dapat diakses oleh orang-orang yang tidak memiliki komputer (seperti remaja yang kurang beruntung secara ekonomi yang saya mentor) .

Tidak meminta nomor bagian tertentu, hanya metode dasar.

pembaruan:
Pabrikan mengonfirmasi bahwa perkiraan saya terkulai per jam sudah benar. Menurut pabrikan, droop sebagian besar dipengaruhi oleh arus bias input penguat buffer dan kebocoran apa pun yang mungkin terjadi melalui sakelar - bukan hanya kebocoran kapasitor normal. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

analog sample-and-hold

— Johny Radio
sumber

9

Jika ADC adalah opsi, digitalkan data Anda dan simpan di chip flash selama bertahun-tahun.

— Vladimir Cravero

2

@JohnyRadio merangkum saran pengguna lain, mungkin menyimpan nilai analog dari sinyal bukan hal yang paling cerdas untuk dilakukan, itu tidak berarti itu tidak dapat dilakukan. Tetapi alasan untuk pernyataan itu adalah bahwa menempatkan kendala tanpa menyatakan alasan berlalu seperti cara untuk membuat orang mengakui apa yang ada dalam pikiran Anda. Bukan itu masalahnya, tetapi cobalah untuk memotivasi kendala Anda.

— clabacchio

3

Untuk apa ini? Saya tidak berpikir itu mungkin dalam analog murni kecuali jika Anda menggunakan penuh Heath Robinson dan memasukkan hal-hal seperti fader bermotor (mahal) atau membangun memori Anda sendiri (memakan waktu, tidak scalable)

— pjc50

3

1.) Itu bukan (hanya) opamp. 2.) Droop berasal dari pemakaian kapasitor. Kapasitor akan melepaskan dengan sendirinya - mereka memiliki arus bocor, dan dengan waktu yang cukup akan sepenuhnya mengalir. Opamp dalam chip itu juga harus menarik sedikit arus dari kapasitor penahan - ini juga akan melepaskan kapasitor dari waktu ke waktu. Chip ini tidak dimaksudkan untuk apa yang Anda coba lakukan. Itu juga lebih tua dari kotoran. Ini merekomendasikan menggunakan LM3905 pada satu titik. Itu sudah tua ketika saya masih kecil di awal 1980-an.

— JRE

3

Masalah apa yang sebenarnya ingin Anda pecahkan? Sepertinya masalah XY .

— Chupacabras

20

Yah, sepertinya ada solusi, meskipun ini sedikit ledakan dari masa lalu ...

Survei Perangkat Memori Analog (dari 1962)

"Transpolarizer, analog elektrostatik dari transfiuxor yang lebih dikenal ..."

Untuk solusi yang lebih modern, mikro dengan ADC dan DAC tampaknya merupakan cara yang tepat. Juga, tidak seperti solusi analog, itu jauh lebih stabil dengan suhu, yang selalu bonus bagus ...

Tentang topi besar: ada beberapa masalah.

Nilai kapasitor tergantung pada suhu, sehingga dengan jumlah muatan konstan di topi Anda, tegangan akan bervariasi dengan suhu. Efeknya akan kecil, atau besar, tergantung pada jenis topi.
Kebocoran kapasitor sangat tergantung pada suhu (untuk elektrolitik)
X7R adalah mikrofon piezoelektrik.
Penyerapan dielektrik berarti Anda mengisi daya topi Anda, kemudian melepaskannya, tunggu sebentar, dan kemudian tegangan di atasnya sekarang berbeda! Dan itu tergantung pada voltase yang ada di sana sebelum Anda diisi (atau habis). Juga, untuk tutup besar yang dimaksudkan untuk decoupling pasokan, efeknya sama sekali tidak berbahaya, jadi tidak ada yang peduli tentang hal itu, dan oleh karena itu tidak ada spesifikasi. Saya tidak tahu apakah itu tergantung pada suhu dan penuaan, tetapi tidak ada alasan mengapa itu tidak terjadi. Anda hanya akan mendapatkan spesifikasi yang berguna untuk topi yang ditujukan untuk integrator presisi tinggi dan hal-hal seperti itu.

Saya ingat mengukur kebocoran pada topi FR FR 470µF 6V3 Panasonic. Saya menagihnya ke 5V selama beberapa menit, lalu mengukurnya setiap beberapa menit. Tegangan akan turun dengan cepat karena DA, kemudian stabil di sekitar 4V. Saya meninggalkan topi di rak selama seminggu, dan mengukur lagi. Kebocoran yang dihitung ada di nanoamps, tetapi Anda harus menyimpannya pada tegangan target untuk sementara waktu (seperti setidaknya beberapa jam jika bukan hari) untuk mengatasi penyerapan dielektrik ... sehingga tidak akan ada gunanya sama sekali dalam aplikasi ini .

— peufeu
sumber

Saya harus menambahkan bahwa saya ingin mencapai ini dengan komponen yang tersedia secara umum. Tutup tampak seperti arah yang salah untuk alasan yang Anda sebutkan, kecuali ada cara atau jenis yang tidak terkulai.

— Johny Radio

2

Dipilih untuk "transfluxor" :)

— pjc50

Saya pikir penyerapan dielektrik adalah muatan sisa yang bersembunyi di tutup, bahkan ketika tutup mengukur 0V. Benar?. Tutup film polipropilen kurang rentan, tetapi tutupnya masih terlihat tidak cocok.

— Johny Radio

2

Saya menghargai info dalam jawaban ini, tapi saya bingung dengan semua upvotes - sepertinya tidak mengandung solusi analog.

— Johny Radio

1

Jawaban ini tampaknya mendapatkan suara terbanyak untuk foto yang menyenangkan. Ada solusi praktis yang didorong oleh jawaban ini karena foto yang menyenangkan.

— Johny Radio

17

Dapatkan potensiometer bermotor. Untuk sampel menggunakan opamp untuk mendorong perbedaan ke nol, untuk menahan jangan memindahkannya. Akurasi mungkin akan sangat rendah, tapi hei tidak ada penyimpangan.

— τεκ
sumber

Ide bagus, Anda khawatir tentang ketepatan serta keausan mekanis.

— Johny Radio

1

Ukuran besar ...

— AK

Bagaimana jika Anda membagi sinyal menjadi beberapa potensiometer untuk meningkatkan akurasi? Oh, benar, itu akan menjadi sangat rumit sehingga Anda harus menggunakan ADC sebagai gantinya.

— Mast

@ Mr: beberapa potensiometer yang terhubung di gearbox dengan motor tunggal? Itu akan berhasil.

— AK

@Mast sepertinya satu pot bisa mencapai presisi yang diinginkan.

— Johny Radio

10

Dengan komponen analog standar jawaban untuk ini adalah tidak, tidak juga.

Tentu saja, dengan kapasitor yang cukup besar atau elemen penyimpanan lainnya, Anda dapat mempertahankan level dalam perbedaan yang diinginkan dalam jangka waktu lama, tetapi akan selalu ada beberapa kerugian seiring waktu. Selanjutnya, tindakan mengekstraksi informasi dari perangkat penyimpanan menghilangkan energi dari perangkat itu.

Secara teoritis, dengan loop super-konduktif, yang sesuai terisolasi dari medan magnet eksternal, Anda dapat membangun arus yang tidak terbatas. Tetapi sekali lagi, mengukur arus itu akan melibatkan penghilangan energi.

TAMBAHAN

Alternatif lain mungkin untuk "secara permanen" menarik beberapa bahan atau zat di hadapan sensor efek hall. Dengan bahan yang tepat, Anda bisa menyimpan "level" itu untuk waktu yang sangat lama.

Tetapi, tentu saja, akan jauh lebih murah dan lebih mudah hanya dengan melakukannya secara digital.

Namun, Anda tidak perlu mikro.

Berikut ini adalah rangkaian Deteksi dan Tahan Peak analog / digital hybrid.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Rangkaian menggunakan DAC pengikut untuk membunuh level tegangan dari penghitung agar sesuai dengan tegangan pada kapasitor. Setelah nilai DAC cocok, penghitungan berhenti dan tegangan output akan dipertahankan selama daya hidup, atau sampai sinyal CLEAR dikirim. Tutupnya sekarang hanya perlu menahan level puncak selama berapa lama dibutuhkan counter untuk meningkatkan tegangan itu. Jelas, granularitas dari output tergantung pada jumlah bit di counter / DAC.

Sirkuit "Sampel dan Tahan" yang sebenarnya akan membutuhkan input tambahan seperti yang ditunjukkan di bawah ini, atau beberapa bentuk pembanding jendela untuk mendeteksi kapan penghitung berada dalam langkah nilai.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Jika laju perubahan tegangan penghitung / DAC lebih cepat daripada laju perubahan tegangan sinyal asli Anda, Anda tidak memerlukan sampler analog sama sekali.

— Trevor_G
sumber

1

@JohnyRadio lihat kalimat pertama.

— Trevor_G

1

@JohnyRadio mungkin, tapi sekali lagi, Anda tidak mengajukan pertanyaan spesifik dengan persyaratan khusus.

— Trevor_G

1

@JohnyRadio bagaimanapun, saya memperbarui jawaban saya dengan menunjukkan kepada Anda cara analog / digital hybrid untuk melakukannya.

— Trevor_G

1

@JohnyRadio Sample adalah sinyal digital yang membuat S&H memegang level analog saat ini. Saya tidak yakin dari pertanyaan awal Anda jika Anda berbicara tentang S&H sejati atau Detektor Puncak, jadi saya menambahkan keduanya. sirkuit yang ditunjukkan adalah diagram blok, apa yang Anda masukkan ke dalam blok terserah Anda.

— Trevor_G

1

@JohnyRadio ya Anda mungkin dapat menemukan semuanya dalam satu chip. Counter / DAC yang saya maksud.

— Trevor_G

10

Meskipun jauh lebih mudah dalam digital, Anda tentu bisa melakukan ini dalam analog dengan beberapa pemilihan bagian yang cermat.

Pada dasarnya, Anda memerlukan tiga komponen kinerja tinggi:

Kapasitor kebocoran rendah
Saklar analog kebocoran rendah
Op-amp arus input bias rendah untuk buffer output Anda

Lupakan kapasitor keramik konvensional jika Anda berencana untuk tahan berjam-jam. Taruhan terbaik Anda adalah kapasitor film polypropylene. Bob Pease menulis artikel yang bagus tentang mengkarakterisasi tingkat kebocoran mereka: Apa semua hal kebocoran kapasitor ini, bagaimana pun? Ada dalam urutan milivolt per hari, yang mungkin cukup untuk aplikasi Anda.

Switch adalah bagian yang sering diabaikan. Anda akan menemukan bahwa switch analog solid state yang terbaik sekalipun memiliki kebocoran dalam kisaran beberapa picoamps. Tingkat kebocoran 10 pA berarti bahwa untuk tutup 1uF, Anda akan mengalirkan 180mV selama periode lima jam. Ini mungkin atau mungkin tidak dapat Anda terima. Jika Anda perlu melakukan yang lebih baik, solusi yang lebih baik adalah relai buluh, yang pada dasarnya memiliki kebocoran yang dapat diabaikan karena sebenarnya ia membuat celah udara di antara kontak.

Dalam hal opamps saat input bias rendah, ada beberapa pilihan yang tersedia. Saya baru-baru ini menggunakan LMP7721 dari TI pada desain impedansi tinggi. Itu mendapat Ib maksimum 20 fA pada suhu kamar dan 900 fA pada 85 ° C.

Jadi, kita dapat dengan mudah membayangkan desain yang menggabungkan tutup polipropilen, relay buluh, dan buffer Ib rendah. Mari kita bayangkan bahwa kita menggunakan:

Sebuah kapasitor Vishay Polypropylene 0.33uF , yang memiliki konstanta waktu RC dari kebocoran pada urutan $4 \cdot 10^5$ detik pada suhu kamar.
Sebuah buluh estafet terbaik di kelasnya , dengan resistensi terbuka sirkuit $10^{14} \Omega$ .
LMP7721 opamp yang disebutkan sebelumnya .

Dengan komponen di atas pada suhu kamar, Anda akan memiliki kontribusi kesalahan berikut setelah 5 jam:

4,5% terkulai dari konstanta waktu RC tutup.
Pada dasarnya hanyut diabaikan dari reed relay
Intinya diabaikan dari penyangga.

Ini dengan asumsi Anda memiliki tata letak impedansi rendah yang tepat (misalnya: soldermask yang dilepas dari papan, gunakan cincin pelindung yang digerakkan).

~~Juga, nilai RC untuk tutup polipropilen adalah nilai terburuk: dunia nyata mungkin lebih baik.~~ Koreksi: itu nilai khas. Namun, seperti yang ditemukan Pease dalam artikel yang dikaitkan di atas, tutup polipropilen setelah direndam dapat memiliki waktu yang konstan sesuai urutan tahun. Oleh karena itu ini akan memerlukan beberapa eksperimen dan mungkin binning.

Jadi, tentu saja mungkin untuk melakukan ini dalam analog, meskipun mungkin tidak praktis ketika alternatifnya adalah mendigitalkan output.

— Peter
sumber

Saya tidak tahu dari mana Anda mendapatkan waktu RC konstan 40000 s dari. Lembar data mengatakan> 5000 dtk. Produsen kapasitor film tampaknya menghindari peringkat apa pun dengan resistensi isolasi yang lebih tinggi daripada 5000 megaohm-mikrofarad (detik). Berikut ini adalah tutup film 0.47uF, 63V dengan peringkat yang sama: digikey.com/product-detail/en/kemet/RSBDC3470AA10J/399-6045-ND/…

— τεκ

1

Halaman 11 dari datasheet memiliki kurva RC vs temperature: imgur.com/eHQjXej . Secara umum, produsen akan enggan untuk menjamin resistensi isolasi yang sangat tinggi bahkan jika tutupnya dapat melakukannya. Seperti yang ditemukan Pease dalam artikel terkait, tutup polipropilen pada suhu kamar setelah perendaman dapat memiliki konstanta waktu RC pada urutan sepuluh tahun. Itu, tentu saja, akan dengan mengarah di udara (karena kebocoran permukaan papan akan mengerdilkan itu), dan tentu saja tidak dapat dijamin dengan setiap tutup yang keluar dari garis.

— Peter

Anda benar, kurva itu bukan nilai kasus terburuk, ini tipikal. Saya telah memperbarui jawaban saya sesuai dengan itu.

— Peter

Saya menemukan beberapa orang lain yang memiliki resistensi isolasi berperingkat lebih tinggi hingga 30000 detik, tetapi jelas setuju bahwa hasil dunia nyata jauh lebih baik.

— τεκ

Juga agak relevan, artikel Bob Pease lain tentang pengaturan pengujian pengukuran femtoampere saat ini: electronicdesign.com/test-amp-measurement/…

— Peter

6

Saya telah melihat ini dilakukan dengan reed relay, sebuah op-amp AD545 (ada yang lebih baik sekarang), dan kapasitor polypropylene 100 volt besar. Pembuat papan dapat membuat potongan di papan yang bekerja lebih baik daripada cincin penjaga saja. Relai itu BUKAN jenis cetakan epoksi tapi sejenis "bingkai terbuka". Op-amp itu dalam kaleng, tapi itu tidak akan mungkin hari ini.

Rig ini stabil selama berhari-hari.

— Robert Endl
sumber

1

INI. Sangat menarik, tetapi saya perlu lebih mengerti. Jadi, V tutupnya, bukan nilainya, apakah itu kuncinya? Ya, saya telah membaca bahwa polyprops menunjukkan paling sedikit terkulai dari semua jenis topi - tampaknya itu adalah saus rahasia di sini. Saya tidak melihat bagaimana saklar akan berdampak terkulai, karena itu pada input - ada kebocoran tutup pada input? Banyak terima kasih.

— Johny Radio

1

100 volt adalah bagian dari kunci. Ukurannya saya tidak ingat, tapi itu besar. Versi awal menggunakan poliester tetapi PP lebih baik. Teflon mungkin lebih baik tetapi tidak banyak. Sakelar solid state memiliki kebocoran, meskipun Anda bisa mendapatkan yang lebih baik sekarang. Desain ini berasal dari hari-hari sebelum micros.

— Robert Endl

-2

Solusi 1

Jika Anda mengetahui kemiringan kebocoran tutup Anda, Anda dapat berulang-ulang "menutup" tutupnya pada interval waktu, untuk mengimbangi terkulai.

Namun, kemiringan cenderung nonlinier, sehingga jumlah top-off akan nonlinier. Mungkin jumlahnya bisa berupa persentase sederhana dari tingkat pengisian topi, yang akan menyederhanakan banyak hal.

Solusi 2

Jika Anda memiliki akses ke fasilitas fabrikasi chip, Anda mungkin dapat mereplikasi sel penyimpanan analog 3-transistor nonvolatile esoterik esoterik ini dengan resolusi efektif 14 bit yang terdiri dari muatan yang disimpan di gerbang mengambang transistor MOS, ditulis dengan menggunakan hot-electron injeksi dan dihapus melalui tunneling gate oxide. Ukuran kecil dan konsumsi daya rendah. "

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

Atau teknik ini, menggunakan EEPROM sebagai perangkat penyimpanan analog:

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

Solusi 3

Bukan analog, Anda bisa menggunakan chip ADC khusus langsung ke kait. Itu bisa menghindari penggunaan MCU, yang menjaga solusi bebas kode, per OP.

Anda mungkin harus menggunakan berbagai chip logika diskrit, jam, atau penghitung, agar kait berfungsi.

Chip Maxim ini, misalnya, dikatakan bekerja tanpa MCU (bukan dukungan produk).

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

Berikut contoh lain menggunakan ADC tanpa MCU. Sistem ini jauh lebih kompleks daripada yang dibutuhkan OP. Misalnya, sebagai perekam audio, kecepatan sampel dan persyaratan penyimpanannya jauh melebihi kebutuhan OP.

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

Solusi 4

Anda dapat menggunakan potensiometer digital murah yang tersedia secara umum. Mereka tersedia dengan penyimpanan persisten, dan mudah digunakan.

Namun, resolusi mereka tidak terlalu tinggi, mulai dari 100 hingga 256 langkah. Anda dapat menggunakan 5 seri untuk mendapatkan resolusi 12 bit yang efektif.

Dapat didorong langsung dari ADC pada input, menghindari MCU. Jadi pada dasarnya Anda akan menggunakan ini sebagai gerendel. Sebuah gerendel mungkin lebih mudah.

Tautan ini tidak dimaksudkan sebagai dukungan atas produk atau distributor apa pun

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

— Johny Radio
sumber

Komentar bukan untuk diskusi panjang; percakapan ini telah dipindahkan ke obrolan .

— clabacchio