Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia

04 Lis 2018 14:23 330 5
  • Poziom 9  
    Witajcie,

    Chcę zrobić prosty wysokościomierz do modelu RC oparty na czujniku ciśnienia MPX4115A. Czujnik ten działa w zakresie ciśnień 150 - 1150hPa, Jego charakterystyka przedstawia się następująco:
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    Natomiast mi potrzebna jest do pomiarów jedynie górna połowa zakresu ww. czujnika. Trochę się pouczyłem o wzmacniaczach operacyjnych i złożyłem na płytce stykowej wzmacniacz odejmujący oparty na LM324N, który (w założeniu) od zmierzonego napięcia odejmuje 2,5V a następnie wzmacnia sygnał 2-krotnie. Taki sygnał chcę następnie podawać przez prosty filtr RC na wejście ADC w Atmega8.
    Oto schemat mojego wzmacniacza - na razie funkcję czujnika pełni tu potencjometr P1.
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    Na poniższym wykresie pomarańczowa linia pokazuje charakterystykę zależności napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego jaką chciałbym uzyskać. Oczywiście, aby uzyskać taką charakterystykę w zakresie powyżej 4V, musiałbym pewnie zastosować wzmacniacz rail-to-rail. Ale z jakiegoś powodu ta charakterystyka urywa się już na poziomie napięcia wyjściowego 2,5V - niebieska linia.
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    Czy LM324N jest aby na pewno właściwy do takich zastosowań? Co robię źle?
    Próbowałem zmieniać wartości R1, R3, R2, R4 na odpowiednio 10k i 20k, ale to nic nie daje. Zastanawiam się ,czy zasilenie wyłącznie wzmacniacza z 12V poprawiłoby sytuację.

    Dzięki,
    Bartek
  • Moderator Projektowanie
    Albo WO typu R2R albo zasilanie min. 7V.
    Teraz masz Uwy=3 x U2 x R3/(R3+R4) - 2 x 2,5V= 2U2-5V
    Zmień na R2=R1, R3 i R4 wyrzuć, IC1A też zbędny.
    Wtedy też będzie Uwy=2U2-Vref, ale będzie prostszy układ, można zrobić na podwójnym WO np. LM358.
    Jeśli Uwy ma być od zera to Vref=2 x min.U2 (czyli 5V bo min. U2=2,5V ?)
    Ale dokładnie od zera nie będzie bo dla tych WO Uwy tylko zbliża się do zera - kilkanaście-kilkadziesiąt mV.
    Napięcie Vref powinno być stabilizowane (np. na TL431).
  • Poziom 9  
    trymer01 napisał:
    Albo WO typu R2R albo zasilanie min. 7V.
    Teraz masz Uwy=3 x U2 x R3/(R3+R4) - 2 x 2,5V= 2U2-5V
    Zmień na R2=R1, R3 i R4 wyrzuć, IC1A też zbędny.
    Wtedy też będzie Uwy=2U2-Vref, ale będzie prostszy układ, można zrobić na podwójnym WO np. LM358.

    Raczej: Uwy=3 x U2 x R4/(R3+R4) - 2 x 2.5V = 3 x U2 x 2/3 - 2 x 2.5V = 2 x U2 - 2 x 2.5V
    Zmieniłem R2=R1, wyrzuciłem R3, R4 i IC1A i wyszło mi coś takiego:
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    z charakterystyką:
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    trymer01 napisał:
    Jeśli Uwy ma być od zera to Vref=2 x min.U2 (czyli 5V bo min. U2=2,5V ?)
    Ale dokładnie od zera nie będzie bo dla tych WO Uwy tylko zbliża się do zera - kilkanaście-kilkadziesiąt mV.
    Napięcie Vref powinno być stabilizowane (np. na TL431).

    No właśnie już tak kombinowałem wcześniej, czyli najpierw wzmocnić sygnał z czujnika (potencjometru) 2-krotnie, a potem odjąć od niego 5V.
    W związku z tym z układu wyrzuciłem jeszcze dodatkowo R6, czyli odejmujemy już pełne 5V.
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    i wychodzi coś takiego:
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    To wszystko jeszcze przy zasilaniu 5V. Może mi się uda jeszcze dziś pokombinować z większym napięciem zasilania. Ale cały czas mnie nurtuje dlaczego w układzie z pierwszego postu odcina mi wzmacnianie przy 2,5V na wyjściu.


    EDIT:
    Zasiliłem układ z pierwszego postu napięciem 12V, dopasowałem dzielnik R5-R6, aby nadal podawał 2,5V i uzyskałem zadowalającą charakterystykę:
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    Nie zamykam jeszcze tematu, gdyż jutro chciałbym kupić jakiś WO rail to rail i poeksperymentować z nim przy zasilaniu 5V. Czy MCP6021 (2,4) lub OPA4343 nadawały by się?
  • Pomocny post
    Moderator Projektowanie
    bkilian napisał:
    Raczej: Uwy=3 x U2 x R4/(R3+R4) - 2 x 2.5V

    Tak, to była pomyłka.
    bkilian napisał:
    Zmieniłem R2=R1, wyrzuciłem R3, R4 i IC1A i wyszło mi coś takiego:
    ....
    z charakterystyką:

    Ten drugi układ działa OK, tylko Vref jest za niskie bo wynosi 2,5V a powinno być 5V. Widać tę różnicę 2,5V (na wykresie Uwe/Uwy=2,5V/0V, 3V/3,5V - czyli Uwy jest za wysokie o te 2,5V).
    Natomiast trzeci układ - identyczny jak drugi tylko ze zmianą Vref = daje błąd 1,25V, a nie powinien - ? Prawdopodobnie powodem tego błędu jest zbyt wysokie Uwe=Vref=5V IC1C. Czytaj datasheet - dla LM324/358 - Uwe powinno być niższe od Uzas o 2V, jego Uwy też będzie niższe od Uzas o ok. 1,5V. W efekcie na IC1B podajesz Vref zbyt niskie - nie 5V ale ok. 3,75V - sprawdź.
    IC1C jest potrzebny tylko po to aby zapewnić wydajność prądową dla dzielnika napięcia R1/R2, a dla zrównoważenia IC1B należałoby zapewnić aby R1||R2=rezystancji wy. źródła Uwe (jeśli jest niska to wstawić szeregowo opornik w wejście (+) IC1Balbo zmienić wartość R1=R2).
    bkilian napisał:
    cały czas mnie nurtuje dlaczego w układzie z pierwszego postu odcina mi wzmacnianie przy 2,5V na wyjściu.

    Z tego samego powodu - w układzie nr 1 na IC1C dla Uwe<3,5V jest OK, dla wyższego Uwe ogranicza Uwy do ok. 3,75V i w efekcie masz Uwy=2UwyIC1A-5V=7,5-5=2,5V, ale błędy (zakrzywienie wykresu) jest już od Uwe=3,5V/Uwy=2V.

    Dlatego Uzas = min.7V (lepiej 8-9V albo i 12V) albo R2R.

    Edit; - działa bo musi. Układ jest OK, tylko że to układ "szkolny" - niepotrzebnie skomplikowany.
    MCP się nadają, tylko patrz na napięcie niezrównoważenia. Będą błędy dla Uwy w okolicach zera, przy zasilaniu 5V będą też błędy w okolicach Uwy=5V. Są MCP zasilane 6V - to pozwoli Ci uniknąć tego ostatniego błędu.
    Zresztą nie znamy wymagań co do dokładności układu.
  • Poziom 9  
    trymer01 napisał:

    Ten drugi układ działa OK, tylko Vref jest za niskie bo wynosi 2,5V a powinno być 5V. Widać tę różnicę 2,5V (na wykresie Uwe/Uwy=2,5V/0V, 3V/3,5V - czyli Uwy jest za wysokie o te 2,5V).
    Natomiast trzeci układ - identyczny jak drugi tylko ze zmianą Vref = daje błąd 1,25V, a nie powinien - ? Prawdopodobnie powodem tego błędu jest zbyt wysokie Uwe=Vref=5V IC1C. Czytaj datasheet - dla LM324/358 - Uwe powinno być niższe od Uzas o 2V, jego Uwy też będzie niższe od Uzas o ok. 1,5V. W efekcie na IC1B podajesz Vref zbyt niskie - nie 5V ale ok. 3,75V - sprawdź.
    (...)
    bkilian napisał:
    cały czas mnie nurtuje dlaczego w układzie z pierwszego postu odcina mi wzmacnianie przy 2,5V na wyjściu.

    Z tego samego powodu - w układzie nr 1 na IC1C dla Uwe<3,5V jest OK, dla wyższego Uwe ogranicza Uwy do ok. 3,75V i w efekcie masz Uwy=2UwyIC1A-5V=7,5-5=2,5V, ale błędy (zakrzywienie wykresu) jest już od Uwe=3,5V/Uwy=2V.

    Dlatego Uzas = min.7V (lepiej 8-9V albo i 12V) albo R2R.

    Dzięki. Właśnie teraz zrozumiałem dlaczego układ pierwszy nie działał. Wtórnik napięciowy IC1A nie był w stanie "powtórzyć" napięcia większego niż Vcc - 1,25V = 3,75V.
    Dziś udało mi się kupić w sklepie R2R - dostałem TLV272I. Złożyłem układ jak na schemacie w pierwszym poście, tylko jako IC1A i IC1B użyłem R2R i działa elegancko przy zasilaniu 5V. Charakterystyka jest bardzo zbliżona do tej przy zasilaniu 12V w poprzednim poście.
    trymer01 napisał:

    IC1C jest potrzebny tylko po to aby zapewnić wydajność prądową dla dzielnika napięcia R1/R2, a dla zrównoważenia IC1B należałoby zapewnić aby R1||R2=rezystancji wy. źródła Uwe (jeśli jest niska to wstawić szeregowo opornik w wejście (+) IC1Balbo zmienić wartość R1=R2).

    Jeśli chodzi o ten trzeci schemat to już teraz też rozumiem dlaczego brak rezystora między potencjometrem a wejściem nieodwracającym był problemem - wzmacniacz nie nadążał "odbierać prądu" żeby wyrównać wejścia. Zrobiłem układ jak poniżej z użyciem R2R i też wynik bardzo zadowalający, a nawet lepszy niż w poprzednim akapicie.
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia

    Potem uprościłem układ do takiej postaci:
    Wzmacniacz odejmujący do czujnika ciśnienia
    I też działa, co mnie bardzo cieszy.
    trymer01 napisał:

    Edit; - działa bo musi. Układ jest OK, tylko że to układ "szkolny" - niepotrzebnie skomplikowany.
    MCP się nadają, tylko patrz na napięcie niezrównoważenia. Będą błędy dla Uwy w okolicach zera, przy zasilaniu 5V będą też błędy w okolicach Uwy=5V. Są MCP zasilane 6V - to pozwoli Ci uniknąć tego ostatniego błędu.
    Zresztą nie znamy wymagań co do dokładności układu.

    Docelowo altimetr (czujnik ciśnienia) nie będzie będzie pracował w okolicach napięć 2,5V lub 5V, więc myślę, że tego typu błędy wskazań można zignorować.

    Dziękuję i pozdrawiam,
    Bartek
  • Pomocny post
    Moderator Projektowanie
    Ostatni układ działa poprawnie tylko dlatego, że Vref=5V jest pobierane z zasilania, które jest w stanie "wydać" prąd wymagany przez R1/R2. W praktyce Vref robi się o różnych wartościach, powinno być ono stabilne - np. dzielnik rezystorowy zasilany z TL431 czy innego układu napięcia referencyjnego - i wtedy taki dzielnik ma wysoką rezystancję wewn. co skutkuje brakiem wydajności prądowej/zmianą Vref na skutek obciążenia (a czasem Vref może być ujemne i prąd do niego wpływa). Dlatego używa się tu wtórnika napięciowego transformującego rezystancję źródła Vref (WO ma znikomą Rwy) - jak np. IC2B w przedostatnim układzie.

    W tych dwóch ostatnich układach R3 powinien mieć wartość <50k.
    R1||R2-wartość Rg||Rd=50k - Rg||Rd, gdzie Rg i Rd to wartości części górnej i dolnej potencjometru P1 (a symbol || to połączenie równoległe).