Mengukur Resistansi Kawat Dengan ADC

Saya mencoba merancang sirkuit yang dapat mengukur resistensi kecil hingga 0,1 Ohm dan maks. dari 10 Ohm. Saya tidak akan mengukur resistor sebenarnya tetapi gulungan kabel yang agak besar, hingga 500 m (seperti yang dapat Anda bayangkan, kabel ini cukup tebal).

Inilah sirkuit yang saya buat: masukkan deskripsi gambar di sini

Rangkaian bekerja dengan mempertahankan arus konstan melalui perangkat yang diuji, R2. Dengan arus 100 mA, R2 akan mengembangkan tegangan antara 10 mV hingga 50 mV.

Saya pikir dalam dunia ideal ini akan berhasil tetapi dalam praktiknya saya mungkin mengalami kesulitan mengukur 0,1 Ohm dengan ini - terutama karena ADC. Mari kita asumsikan ADC 10-bit dengan VREF 5V. Ini berarti 5mV per langkah. Jika R2 = 0,1 dan Iout = 100 mA, maka tegangan yang ada di ADC akan menjadi 50 mV - tapi saya tidak yakin bagaimana terkubur dalam kebisingan ini.

Pertanyaan saya adalah, apakah saya harus menambah gain, katakanlah, 50. Jika gainnya 50, maka tegangan yang ada di ADC adalah 500 mV - tetapi maks. resistensi terukur akan menjadi 1 Ohm. Untuk mengukur 10 Ohm, saya perlu menurunkan arus ke 10 mA, bukan 100 mA. Cara untuk melakukannya adalah menggunakan FET untuk mengganti R1 dan menghubungkan resistor 20 Ohm di Iout.

Saya tidak perlu sirkuit untuk mengukur hambatan secara tepat - toleransi +/- 10% baik-baik saja.

adc current-source

— Saad
sumber

Jawaban:

Tolong, jangan gunakan LM324 jika Anda ingin melakukan pengukuran presisi.

Opamp Anda memiliki gain 5, tetapi Anda tidak menggunakannya: Output Anda adalah input pembalik, di mana Anda memiliki sinyal yang sama dengan non-pembalik, jadi itu keuntungan x 1.

Pilihan terbaik adalah penguat instrumentasi, tempat Anda menghubungkan ujung kabel ke dua input. Gunakan resistor seri ke ground untuk membuat offset, karena InAmps tidak dapat pergi ke rails (setidaknya tipe 3-opamp tidak bisa). Anda dapat menggunakan resistor itu sebagai resistor akal untuk sumber saat ini:

masukkan deskripsi gambar di sini

$V_{IN}$ menetapkan arus sumber saat ini: 100 mA / V. Misalkan hambatan kabel adalah 5 Ω, maka InAmp akan melihat perbedaan 500 mV pada inputnya. Gain dari 10 (gain resistor tidak ditampilkan; CircuitLab tidak memiliki simbol untuk InAmps) akan memberi Anda 5 V keluar, atau 1 V / Ω. Dengan mengganti $V_{IN}$ Anda dapat mengubah total keuntungan. Perhatikan bahwa Q1 mungkin memerlukan heatsink, terutama jika Vcc agak tinggi.

Jika Anda mengharapkan resistansi tinggi, Anda dapat membuat pembagi resistor dengan 1 resistor presisi ke Vref, dan satu ke ground:

masukkan deskripsi gambar di sini

Tegangan di kabel akan

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

tapi jika $R_{CABLE}$ << $2 R$ tegangan mungkin terlalu rendah untuk pengukuran yang akurat. Nilai rendah untuk $R$ membantu, tetapi akan menarik banyak arus.

The MCP6N11 memiliki keluaran Rail-to-Rail dan ada dalam berbagai jenis untuk keuntungan yang berbeda, di antaranya satu untuk keuntungan sebesar minimum 100.

sunting komentar
markrages bahwa kita tidak memerlukan InAmp, dan dia benar. Inilah solusinya dengan penguat diferensial menggunakan opamp:

masukkan deskripsi gambar di sini

Gain ditentukan oleh R1 hingga R4, dan jika R1 = R3 dan R2 = R4 akan

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

InAmp akan memberi Anda lebih presisi, dan itu tidak akan dikenakan biaya lengan dan kaki, jadi mengapa tidak?

— stevenvh
sumber

Terima kasih stevenh. Saya kira saya tidak akan membutuhkan sumber arus konstan dengan amp instrumentasi? Karena saya akan memiliki resistor ke V + dan yang lainnya ke ground dan kawat di antaranya, rasio bagaimana membagi tegangan itu sendiri harus memberi tahu kita seberapa besar resistansi kawat. Apakah saya benar?

— Saad

@ Saad - Ya, Anda akan membutuhkan sumber saat ini, saya membuat kesalahan, saya akan memperbaikinya.

— stevenvh

Steven, maaf sudah sangat tebal tapi saya masih tidak melihat dari mana sumber saat ini.

— Saad

@ Saad - Anda juga menggunakan pembagi tegangan dengan tegangan referensi dan dua resistor presisi, seperti dalam persamaan. Atau Anda menggunakan arus yang diketahui yang akan membuat penurunan tegangan pada kabel karena Hukum Ohm. Sebuah resistor seri ke ground diperlukan untuk mendapatkan tegangan yang lebih rendah dari rel. Nilai pastinya tidak begitu penting; jika turun misalnya 0,5 V Anda akan baik-baik saja.

— stevenvh

@ Saad - perbedaan utama antara InAmp dan penguat diferensial adalah impedansi input. Untuk Inamp yang sangat tinggi, dan tidak memuat sirkuit. Dalam hal ini tidak begitu penting, karena kami memiliki resistansi rendah. Tetapi dalam banyak situasi beban dari penguat diferensial perlu perhatian. Perhatikan bahwa InAmp 3-opamp sebenarnya adalah dua buffer diikuti oleh penguat diferensial . Penguat diferensial tidak lebih baik, mungkin hanya beberapa sen lebih murah.

— stevenvh

Pertama-tama, pengaturan ini tidak akan memungkinkan Anda untuk mendapatkan kisaran 0 ÷ 5V pada input ADC. Hanya karena LM324 tidak dapat mengayun ke rel positifnya. Ini juga akan memperkenalkan tegangan offset potensial yang pasti akan dapat merusak pengukuran 10 hingga 50mV.

Saya sarankan mendapatkan amplifier instrumentasi atau amplifier gain yang dapat dipilih seperti MCP6G01 . Dengan perolehan yang dapat dipilih dari 1 hingga 100 Anda akan dapat mempertahankan akurasi dalam 2 urutan besarnya (misalnya dari 0,1 hingga 10 Ohm).

— Christoph B
sumber

Apa keuntungan penguat penguatan tetap, terutama jika terbatas pada x 50?

— stevenvh

Nah, chip ini sangat murah. Saya tidak akan menyebut ini rentang dinamis yang sebenarnya, tetapi itu tidak sepenuhnya tetap - ketika Vin berada dalam kisaran milivolt, pilih K = 50, ketika itu dalam rentang volt pilih K = 1. Chip khusus ini juga merupakan solusi hebat bagi perancang malas yang tidak ingin repot menemukan kombinasi terbaik dari resistor presisi. Ini menjamin tingkat akurasi tertentu. Jika OP ingin membuat amplifier dengan gain yang sangat besar, dia harus mengurus semua tegangan offset, dll. Saya berasumsi dia tidak akan mau, mengingat solusi awalnya.

— Christoph B

Ok, Anda meminta versi sirkuit saya.

masukkan deskripsi gambar di sini

Ini menggunakan sumber arus opamp + BJT dengan rentang tiga dekade. Kisaran sumber arus dipilih dengan membumikan satu dari tiga resistor. Anda mungkin dapat mencapai sasaran akurasi Anda dengan menggunakan output AVR untuk mengganti tiga resistor. Beralih antara output rendah (untuk diaktifkan) atau input (untuk menonaktifkan). Input analog lebih baik, tetapi tegangannya akan sangat tinggi, jadi input digital OK. Untuk akurasi yang lebih baik, hubungkan 4K ke resistor ke dua pin. Resistansi keluaran AVR digital out adalah sekitar 25 ohm:

.
Baris + 5V digunakan untuk referensi dari sumber saat ini dan ADC. Variasi dalam tegangan suplai akan dibatalkan. Alternatifnya adalah memiliki referensi di sumber saat ini dan referensi di ADC ... tidak perlu di sini. Mikrokontroler ADC umumnya senang menggunakan rel pasokan sebagai referensi.
Anda harus membuat empat koneksi ke perangkat yang sedang diuji. Dua koneksi menghasilkan arus, dan dua koneksi menghadirkan tegangan melintasi perangkat yang sedang diuji ke sirkuit pengukuran. Koneksi empat kawat diperlukan untuk mengukur resistansi rendah (<1 ohm)! Kalau tidak, Anda mengukur resistansi probe secara tidak sengaja.
Tegangan offset opamp adalah parameter yang paling penting. Gunakan chopper amp dan jangan khawatir tentang itu. Saya sudah spec'd OPA2333, yang merupakan penguat lambat yang bagus yang selalu bekerja dengan baik untuk saya.
Jika resistansi probe Anda lebih tinggi dari sekitar ohm, Anda harus menggunakan amplifier instrumentasi lengkap. Tetapi dengan probe yang masuk akal ini harus memenuhi spesifikasi apa adanya.

— markrages
sumber