Arduino Nano: medición de pequeños voltajes con una entrada analógica

Necesito medir de 0v a 40mV con la mayor precisión posible con el ADC de 10 bits en un Arduino Nano . Solo necesito aproximadamente una muestra por segundo.

Planeo sostener el pin AREF a 40 mV sobre el suelo, proteger adecuadamente todo, usar filtros de paso bajo en hardware y software y usar una fuente de alimentación correctamente suavizada.

¿Qué tipo de precisión es probable que obtenga?
¿Qué más podría hacer para mejorar la precisión?

arduino adc

— CL22
fuente

Consulte la hoja de datos de su controlador para ver los voltajes de referencia de banda prohibida disponibles. Luego, diseñe un amplificador que amplifique la señal máxima a poco por debajo de ese voltaje de referencia.

— jippie

Respuestas:

Hay mejores expertos en el Nano's ADC que yo, pero estoy seguro de que tendrá algunos problemas, así que sugeriría un amplificador seguro. Recomendaría un amplificador operacional de 5V (o lo que sea que use el nano) y 0V. El amplificador operacional necesitará capacidades de riel a riel en la entrada y salida y se configurará en modo no inversor con ganancia que convierte 40 mV a escala completa en el nano.

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Si la escala completa es (digamos) 3V, necesitará una ganancia de 3 / 0.04 = 75. Esto significa R2 / R1 = 74 (75 menos 1).

R1 estará feliz de tener 100 ohmios y, por lo tanto, R2 tendrá 7400 ohmios (7k5 en paralelo con 560k da 7k401, que con suerte estará lo suficientemente cerca. El amplificador operacional solo es necesario para funcionar a velocidades lentas después de leer su pregunta y hay varios dispositivos que se adapten. Mantenga el fuego mientras publico la respuesta y eche un vistazo ...

El AD8538 parece adecuado y también el AD8628, pero probablemente hay varios más que se ajustan fácilmente a la factura.

— Andy alias
fuente

La escala completa es Vcc, pero proporcionar un voltaje de referencia en el pin AREF permite una referencia de escala completa más baja según sea necesario. Sin embargo, la amplificación sigue siendo deseable, ya que AREF por debajo de 1.0 Voltios no funciona AFAIC (sin evidencia documental, solo algunos problemas que enfrenté).

— Anindo Ghosh

¿Por qué no resistencias E12 más comunes? La proporción exacta no es demasiado importante, siempre que sepas para compensarla. P.ej. 12k ÷ 150 = 80 o 33k ÷ 470 ≈ 70. Por supuesto, este es el caso para el voltaje de salida de 3V, que probablemente no sea óptimo.

— jippie

@jippie Estoy totalmente de acuerdo, pero mi respuesta "sugiere" cómo poner resistencias en paralelo y no estaba seguro de si el OP lo sabía. ¡Recibió una respuesta extra gratis!

— Andy aka

+1 para la sugerencia del amplificador operacional, el AD8538 es un favorito personal, especialmente en el paquete SOT23: sin clavijas sin sentido, excelente comportamiento térmico.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh: 20 meses después. La hoja de datos ATMega328 no parece indicar en ningún lugar de sus 650 páginas qué rango de valores es válido para el voltaje Aref aplicado EXTERNAMENTE, PERO todos los muchos gráficos donde se menciona tienen un límite inferior de 1.8V :-(. Vcc puede ser> = 1.8 V y AVcc pueden ser Vcc-0.3V por lo que un precio tan bajo como 1,5 V es legal Utilizando la referencia de 1.1V banda prohibida interna da una tensión inferior ADC máximo inferior externa V_ARef puede ser legal, pero no es cierto...

— Russell McMahon

Originalmente no planeé agregar esto como respuesta, pero parece importante dejar que se ahogue en los comentarios.

Lo más importante es recurrir a la hoja de datos de su microcontrolador. Y si estoy en lo cierto acerca de que Arduino Nano tiene ATmega 168, aquí está la hoja de datos . Las características eléctricas es una sección que debe conocer y verificar primero las cosas allí.

El punto es: el voltaje de referencia mínimo es de 1.0V: puede verlo en la página 311. Tendrá que amplificar su señal al menos en un factor de 25 para obtener una precisión razonable, ampliando hasta una referencia de voltaje mínimo.

Ahora, la mejor opción de elementos que conozco (aunque apenas conozco el tema) requeriría un amplificador operacional de bajo ruido, capaz de operar como riel a riel como señaló @Andyaka, preferiblemente funcionando a su voltaje de suministro. Entonces creo que la mejor opción de referencia de voltaje es la interna. Aunque pueden variar entre dispositivos, creo que la estabilidad debería ser más razonable. Además, su elección de resistencias debe residir en resistencias más bajas que en altas, ya que son más resistentes al ruido. ¡No te olvides de su estabilidad en el tiempo y los cambios de temperatura!

La mejor configuración de los amplificadores puede variar: el amplificador no inversor puede ser bueno para comenzar, pero su alta impedancia de entrada puede no funcionar bien con su señal (aunque debería estar bien).

— TNW
fuente

¿Por qué una alta impedancia de entrada no funcionaría bien con la señal? Los GPIO Arduino en modo de entrada son todos de alta impedancia de entrada, por cierto, como también la mayoría de los ADC.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh Si la fuente de señal debe cargarse para medir y no se realiza correctamente. No puedo decir nada sobre la naturaleza de la señal de OP. Creo que la sugerencia en mi publicación fue demasiado dura para el amplificador; probablemente no debería suceder, pero creo que es mejor tener en cuenta la alta impedancia de entrada.

— TNW

Creo que cargar una fuente de señal si es necesario es una ciencia bien conocida, e igualmente, los diseñadores suelen luchar por una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. De ahí mi voto negativo sobre esa declaración sin reservas.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh Creo que sería mejor suponer que la persona sabe menos que más (especialmente que los 40 mV de referencia me hicieron sospechar). Quería señalar que la elección entre amplificador inversor y no inversor no solo depende de si podemos permitir el cambio de polaridad.

— TNW

-4

Debe usar un amplificador para obtener la máxima precisión.

— Leon Heller
fuente

¿Gracias pero por que? ¿No aumentarían las etapas adicionales el ruido y las imprecisiones? ¿Qué tipo de circuito amplificador daría mejores resultados?

— CL22

Supongo que podría funcionar un amplificador operacional de bajo ruido en una configuración no inversora, siempre que use resistencias estables para mantener la ganancia de voltaje.

— TNW

Para alguien que reprende a otros usuarios por no proporcionar información, esta es una respuesta clara. ¿Podrías agregar algunos esquemas o detalles adicionales?

— Chris Laplante