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[参考译文] OPA2188:OPA2188:RTD 线性化

Guru**** 1701450 points
Other Parts Discussed in Thread: LM7705, ADS1114, OPA2188, ADS1262, ADS1261, ADS1248, OPA2392, LM4040, ADS1118, ADS1113, ADS1115
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https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1198803/opa2188-opa2188-rtd-linearizzation

器件型号:OPA2188
主题中讨论的其他器件: ADS1262ADS1261ADS1248、LM7705、 OPA2392、LM4040ADS1118ADS1113ADS1115、ADS1114

我还在 OPA2188的基础上、根据 slyt442.pdf 手册执行线性化、LM 4040A 2.5充当参考信号。 ADC 代表了 Atmel 系列微控制器- Attiny 261A 和 Atmega32A。 我会立即说,一切都是正确的,一切都是正常的,没有投诉。 但遗憾的是、在 ADC 转换后获取的数据无法接受审查。 尽管所有元件(电阻器、REF)的选择精度为0.1%、但温度读数却以令人无法理解的方式变化。 22摄氏度、那么温度可以是25°C、然后还是22摄氏度、 然后再次22, 21, 23,22,24等与时间间隔无论什么(至少0.1秒,至少1秒,至少2秒等)在一个环境中的温度变化不大-我坐在一个房间里的电脑。 我甚至没有试图表明十分之一的程度。 我尝试在电路板上焊接一个大约1.1k Ω 的常规电阻、而不是 Pt1000A。 读数停止变化。 我忙于连接到这个传感器的电线、我尝试了一根屏蔽式音频电缆-它对我帮助了一点点、但读数仍然发生了变化。 我将传感器封装在金属套管中、并添加了一个新的屏蔽铜编织物。 我通过一个0.1uF 电容器将其连接到 GND。 不幸的是,它没有变得更好! 完全屏蔽、但没有用、因为它最终是。 附近没有功能强大或功能强大的家用或工业设备、可以打开或关闭计算机-这并不重要。 对于电源、一个10 uF 的钽电容器、对于 AREF、还有一个10 uF 的钽电容器、以及一个0.1 uF 的陶瓷电容器。 元件在电路板边缘远离电源轨的位置。 这是一种无稽之谈。 低噪声运算放大器将此噪声输出到 ADC。 电压表显示运算放大器输出端的交流电压为6到18mV、但据我所知、峰值可能会更显著。 据我所知、50Hz 的电源电压及其谐波会产生干扰、例如、我读到过、MAX31865具有一个特殊的滤波器"50/60Hz 数字 SINC 滤波器"、可将此噪声抑制40dB。 以及 OPA2188中的事项如何? 我该怎么办? 我已经尝试了一切。 我在样品上和类似情况下的所有地方组装了三个不同的印刷电路板。 例如、ADC 进行4次采样、并将最高8位与同一数据进行比较、然后仅进一步跳过数据、如果有错误、则会多次重复测量、以此类推。 一般来说、情况并非如此。 我还能做什么? ADC 输入转换为模拟输入、ADC 具有和不具有 SLEEP 模式。 您是否需要某种类型的负载电阻器和(或)电容器作为运算放大器的输出? 请帮帮我。

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    尊敬的 Serhii:

    您能否提供上述电路的完整示意图?  

    放大器和 RTD 探针之间的连接持续多长时间? ADC 和运算放大器电路之间的放大器输出端是否有 RC 滤波器?  ADC 是 Atmega32A 吗? 此 ADC 的采样率、采集时间和采样保持电容器是多少? 这是10位 SAR ADC 吗?  

    50Hz 和60Hz 电力线噪声往往主导 RTD 测量的说法是正确的。  为 RTD 测量进行优化的最精密、高分辨率、24位 Δ-Σ 转换器可提供用于消除噪声的数字滤波器。   ADS1262、ADS1248和 ADS1261是 Δ-Σ ADC 包含在这些50-60Hz 线路噪声频率下具有陷波的数字滤波器的示例、以大幅衰减该噪声。  另一种消除线路噪声的技术是在整个线路周期中进行采样、并对整个线路周期中的多个样本求平均值。  例如、一个16位精度 SAR ADC 可设置为以3kSPS 的速率采样、并 在16.6ms 的周期内平均50个样本以帮助降低60Hz 噪声、或者类似地、在3kSPS 的周期内采样并在20ms 的周期内平均60个样本以降低50Hz 的电力线噪声。  请记住、ADC 直流精度和分辨率、以及 ADC 电压基准的噪声和精度会直接影响整个系统的噪声和精度。

    OPAx188是一款零漂移(斩波)放大器、当反相和同相端子输入阻抗不匹配时、可能会产生相对细微的误差。  使用斩波放大器时、我倾向于尝试匹配反相和同相端子上的等效输入阻抗。  然而、我怀疑您描述的大误差指向了与噪声、稳定性、或者 ADC 驱动相关的其它问题。   我们可以提供与 OPA2188电路相关的建议、但可能无法回答特定于  Atmega32A 的问题。

    提供完整的原理图和布局信息会有所帮助。   

    谢谢。此致、

    路易斯

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    下午好。
    问题答案:
    我展示了我的器件的两种方案。 其中一个方案中,所有流程都由 Atmega 32A 进行处理,包括 ADC (10位,但我只使用高8位, 0.5-1摄氏度的精度就足够了),在第二个方案中,我特别为 Attiny 261A ADC 使用了一个单独的芯片。 您可以将此芯片置于睡眠状态以获得更准确的 ADC 读数、并实现模拟 ADC 输入(寄存器 DIDR)。 第二个电路(更复杂)的 ADC 采样率为62500Hz (Atmel 要求50-200kHz 范围内的8MHz/128)。 经过处理的数据会通过 SPI 从261A 传输到32A、并依次显示。 正如我已经说过的、在 ADC 输入端根据连续测量4个读数的算法进行数据处理、如果这些读数在高8位中匹配、则会记录数据。 如果不匹配、则在一行中测量4个值的过程再次进行、依此类推。 直到它们匹配。 或者达到限值。 我在程序级别尝试了很多东西,包括平均-我采集了1024个匹配样本(如我所说,在4个维度),把它相加,然后除以1024。 但仍然每秒钟或两次读数都不稳定。 我花了很多个月在这个和其他事情上,甚至几年,但唉! 所以,我写信给你们。
    现在、从电路板到传感器的导线长度为1.2m。其中一根的导线的电阻也分别为0.6m (2线电路)。 屏蔽产生了显著的效果、但效果非常不够。
    这里没有 RC 链滤波器、我只是想了解一下、但我不知道如何安排它以便消除50 Hz 和谐波(至少100、200、400 Hz)。 请告知我如何设置它。
    关于采样的建议、我知道您需要尝试在从50Hz 正弦波开始到其结束的整个范围内进行测量、然后对读数求平均值?
    我可能不会以某种方式将屏蔽线与传感器相连?
    期待您的回答! 非常感谢您的答复!!!  e2e.ti.com/.../Schematic_5F00_KE_2D00_Atm32_2D00_Att261_5F00_2023_2D00_02_2D00_22.pdfe2e.ti.com/.../Schematic_5F00_SO_2D00_Pl1_5F00_2023_2D00_02_2D00_22.pdf

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    尊敬的 Serhii:

    我对 OPA2188电路部分有几条建议:

    运算放大器输出摆幅和双极电源达到0V:

    我假设当 RTD = 1000Ω Ω(0°C)时、OPAx188电路输出需要达到0V。 但是、在原理图中、器件由单极电源供电、(V-)连接到 GND。

    由于在单个供电电路中、任何运算放大器都无法一直达到0V、因此您需要一个较小的负电源电压。 OPAx188放大器输出需要负电源轨的余量超过~270mV。 最保守的开环(AOL)技术规格指定距离电源轨500mV 的输出摆幅。  如果您需要此运算放大器达到~0V、则需要为 OPAx188电源使用-500mV 的小负电源。

    另一个选择是选择 OPA2392 (最大电源放大器5.5V)、并使用 LM7705 (-0.232V)负偏置发生器来生成负电源。 保守的 OPA2392 AOL 输出摆幅需要一个较小的~100mV 电源电压;而 LM7705发生器就足够了。

    OPAx392电路的一种可能电路如下:  

    注:  我从您的原理图中复制了电阻器值。 我假设您使用 SLYT442应用手册 Excel 计算器来获取电阻值。  如果您告诉我输出电压目标、PT-1000温度范围和运算放大器(V+)电源电压、我可以验证电阻器组件。

    电路输入和反馈处的 RC 滤波器:

    放大器电路的输入端或信号路径中没有可限制噪声的滤波器。  我怀疑电路可能容易产生 EMI 干扰/噪声。  建议在 RTD 连接器上并联一个100nF 电容器来滤除高频输入噪声。  您还可以应用匹配的反馈电容器、如上所示。 另外、考虑在 RTD 连接器上添加一个 TVS 或齐纳二极管来提供保护。

    电源旁路/基准旁路电容器:

    请在运算放大器正电源(V+)和负电源(V-)上使用本地100nF 旁路电容器。  旁路电容器需要靠近运算放大器电源引脚放置。  同样、您可以考虑将旁路电容器与 LM4040基准并联。

    ADC 输入端的 RC 低通/电荷反冲滤波器:

    Ω ADC 来自其他制造商、我没有关于 ADC 的详细信息;但是、您可以考虑在 ADC 输入端放置一个 RC 低通滤波器、例如100 μ F 和100pF 电容器、以帮助滤除任何高频外部噪声。

    一般 PCB 布局和接地建议:

    以下是关键/一般 PCB 布局建议、仅供参考:

    • 在消除噪声/EMI 导致的误差时、PCB 布局上的接地方案起着至关重要的作用。 如今、我们最常见的建议是在器件下方使用单个实心接地层、但对电路板进行模拟和数字分区非常重要。  
    • 通常、我们建议使用单一接地层、同时对电路板进行分区、或基本上将电路的数字和模拟部分放置在 PCB 上的不同区域、从而使敏感模拟远离噪声源和数字信号。  尽管 PCB 电路板布局使用单个 GND 平面、但关键是在电路板布局的不同部分保留电流返回路径。  返回电流趋向于正好在信号布线的下方流动、关键是要使这些信号路径分开。
    • 将电路板划分为两个区域、使敏感的模拟输入信号远离数字信号。  基准去耦组件和模拟输入远离开关数字信号。 这种安排可防止数字开关活动产生的噪声耦合到敏感的模拟信号中。
    • 器件的电源和基准引脚必须干净并具有良好的旁路功能。 在模拟电源引脚和数字电源引脚附近使用陶瓷旁路电容器。 如果可能、将所有旁路电容器放置在器件的同一顶层。  避免在模拟和数字电源引脚以及旁路电容器之间放置过孔。 使用短且低阻抗的路径和独立过孔将所有接地引脚连接到接地层。  还使用独立过孔将每个旁路电容器连接到 GND。
    • ADC 输入 RC 电荷反冲滤波器紧邻 ADC 输入引脚放置、理想情况下与输入器件引脚位于同一层。

    关于50Hz 电力线噪声、一种常见的建议是在20ms 电力线周期内对样本求平均值(如前文所述);或使用具有以50Hz (或60Hz)提供衰减陷波的数字滤波器的 ADC。

    谢谢。此致、

    路易斯

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    路易斯下午好。
    非常感谢您的回答以及有关 PCB 布局的现代科学讲座。 我从未使用过实心铜层、现在我将尝试一下。 也许您有一个类似的示例可以查看示例? 但基本而言、我得到了它。 我试图遵守您所描述的许多规则、但由于我不能看到所有规则、我将重建到正确的布线。 在我的样本中、我使用了两个接地 GND 和 AGND、它们在一个转换点进行连接。 现在我知道实心接地层会分别排除模拟接地和数字接地吗?
    我还想说我的器件在0摄氏度的温度下无法工作。 我关心的是室温高达127摄氏度、180度或260度。 因此我认为我不应该使用负电压源了?
    非常感谢您提供关于在20ms 内平均读数的建议、我这次没想到。 我一定会这么做的。 至于电路元件的检查、我认为一切都是正确的、因为当水沸腾时、显示100摄氏度(+-我的干扰)。 我将一步一步地实施你的建议,所有这一切后,我肯定会写这里,如果你不关闭这个主题。
    我还忘了问为什么选择 TVS 二极管? 在这种情况下,他的工作机制是什么。 我还想问您、或许您知道为什么将设计为2.5伏输出的 LM 4040A 在我的几乎所有样本中显示2.470、尽管我尝试了不同的​​电阻值来限制电流。 我有一个好电压表。 我从来没有理解过。 0.1%的准确度不应允许出现这种偏差。 结果是1.2%!!! 有点丢脸

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    尊敬的 Serhii:

    由于我们将讨论噪声、我已经给出了一些一般信息/布局方面的建议并提及了接地注意事项。 PCB 布局的方法多种多样、而且具有分离 GND 层的设计也可以适用。 考虑到 EMI、目前人们倾向于建议使用单个接地层、 因为在许多应用中、 混合模拟数字板需要通过密集 CE 测试。 在某些情况下、当在两个分离的接地平面之间使用窄连接时、可能很难使电路板通过 CE 测试。 也就是说、有些应用可能也有充分的理由支持分离 GND 电平方法、这种方法也可能起作用。   不过、PCB 布局的决定取决于应用要求;设计人员会更喜欢这种情况。   使用单接地层方法时、您仍可以将电路板分成模拟和数字部分。  下面的帖子讨论了此主题:

    https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum/755516/faq-pcb-layout-guidelines-and-grounding-recommendations-for-high-resolution-adcs

    以下 TI 高精度实验室部分提供了有关 EMI/PCB 布局的教程/演示、您可能对混合信号设计感兴趣:

    https://training.ti.com/ti-precision-labs-introduction-pcb-design-for-good-emc

    https://training.ti.com/zh-tw/pcb-layout-0

    您是对的。 如果您的设计不需要读取低温温度、或者运算放大器输出不需要达到~0V、则无需担心负电源。  OPA2188是一款零漂移斩波放大器。  斩波放大器可能对反相和同相输入的大阻抗不匹配很敏感、但我应该强调这些误差往往很小。 该设计中的等效阻抗并不远不匹配、但在上述输入/反馈处添加电容器将有所帮助。 如果您的运算放大器电源低于5.5V、则 OPA2392是一种线性(非斩波器)、也可以为您提供良好的服务、它还提供相对较低的温漂;当使用 A10位级分辨率 ADC 时、运算放大器的失调误差/漂移不是主要的误差。

    在应用中、如果运算放大器的同相运算放大器输入端子暴露在外、或者可以通过 RTD 连接器访问到外部环境中、则放大器可能会暴露于 ESD 事件中。 TVS 二极管是在任何过压/过流条件或 ESD 事件中快速尝试保护器件的一次尝试。 一种更好的方法可能是使用肖特基二极管、确保输入不会超过 AVDD 电源电压数百毫伏。   在本例中、BAS40是一个小信号肖特基二极管、其正向电压在1mA 时接近~380mV。 相比之下、运算放大器内部 ESD 结构在相同的正向电流下具有~550mV 的正向电压。 因此、肖特基二极管在放大器的内部 ESD 二极管之前导通、并且大多数浪涌电流会流过外部钳位。 内部 ESD 结构只能承受10mA 的电流、而外部肖特基二极管可以处理高达200mA 的正向连续电流、从而提供可靠的保护级别。 电源上的 TVS 二极管可用于灌入电流。

    在您的设计中、您可以使用肖特基二极管和 TVS 电源保护的组合、如下所示;但这仅适用于放大器输入在应用中会受到 ESD 或过压影响的情况。

     

     

     

    以下资源中提供了有关如何选择 TVS 和肖特基二极管的更多信息。

    https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-electrical-overstress-introduction

    不确定问题与 LM4040A25基准问题有关。  它的额定电流为~100uA、25°C 时的额定电流容差为±2.5mV、-40°C 至85°C 时的额定电压为±19mV。  改变电流、只要处于指定的电流范围内、这个电压就不应变为2.47V。  您是否测量并联基准引脚上的电压? 还是以其他 GND 点为基准? 您能否放置示波器探头来检查是否存在任何不必要的交流信号/振荡?  

    谢谢。此致、

    路易斯

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    尊敬的 Serhii:

    对于 LM4040A25、建议 使用示波器检查是否存在任何意外的交流信号/噪声。  还应添加并联或负载旁路电容器。  

    数据表建议使用0.1μF 1 μ F、低 ESR 的陶瓷旁路电容器。  如果可能、请使用额定电压为10V 或16V 的 X7R 级。

    谢谢。此致、

    路易斯

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    尊敬的 Serhii:

    我没有收到您的来信;但是、如果您有进一步的问题、请随时发帖。

    谢谢、此致、

    路易斯

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    您好、Louis。 我现在想提出新问题。 我已经在方案和印刷电路板上分别做了很多转换。 这确实带来了非常好的积极效果。 你只是一个向导。 我还没有设置 TVS 二极管(我来找我的时候正在等待)、那么我也会通知您。 然后我在20ms 内重写程序以获得64个 ADC 样本作为证。 这也有很多帮助。 遗憾的是、我不能长时间重新制作印刷电路板、这样才能实现连续接地。 如果我理解对您的理解正确、在印刷电路板的两侧进行接地是否更好? 现在,正如我所说,在1摄氏度内的迹象实际上不会改变,而是视乎一天的时间而定。 例如、深夜干扰较小。 晚上有更多的干扰。 一般而言、我将很快在本主题中书写。 我希望一切都能顺利进行、如果不能、您会建议我一些具有干扰过滤功能的专业 ADC、以便获得可接受的资金?))

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    我很抱歉写错你的名字路易斯!

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    尊敬的 Serhii:

    我很高兴听到测量正在改进! 很乐意提供帮助。

    关于 以50Hz 或60Hz 频率提供衰减的 Δ-Σ ADC、ADS1113 / ADS1114 / ADS1115是16位 I2C 接口器件、可提供约-45dB ~@ 50Hz 的衰减。 另一种可能是16位 ADS1118 SPI 接口。  还有其他分辨率更高的器件可提供更好的滤波衰减。

    不过、如果您主要对提供该数字滤波功能的12位分辨率/更低成本选项感兴趣、最好在数据转换器论坛的 E2E 上提交查询; 并询问 ADC 应用团队专家、因为他们对 ADC 产品系列有深入的了解。   

    E2E 数据转换器论坛:

    https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum

    谢谢、此致、

    路易斯

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    你好,Luis。
    我无法告诉您 TVS 二极管是否对我有所帮助、但至少因为它是必需的、所以让它可以帮助我。 我已经完全迷惑了。 正如我之前所写的、一切都在很大程度上取决于电网的负载。 图片如下:晚上读数非常稳定,当每个人都在睡觉,相当不稳定,例如在白天,在晚上。 同时、我测量了市电电压、当读数不准确时、电压变化不大。 我甚至试图将传感器放置在距离电路板上的触点很短的位置-它也没有任何帮助。 我制作了一个程序、不仅要看到摄氏度、还要看到0.5摄氏度。 我可以说,当网络上有静音时,数据不会改变读数数十分钟: 23.5 , 23.5 , 23.5 ... 23.5等
    但当网络噪声时、可能是半分钟-一分钟到23.5、然后是一分钟-两个23.0、24.0、25.0、23.0等 我甚至尝试放一个 EMI 滤波器。 没有帮助。 我知道接地在这里并不会影响、因为那样的话、干扰的性质会或多或少地可预测。 现在我认为、由于即使用一条短导线连接到 Pt1000传感器、误差的性质也不会发生变化、因此事实证明一切都通过我的电源来实现。 我不知道我的操作是否正确、在整流器和 L7805之后、我放置了一个4700微法电容器?
    我今天在论坛上发布了有关 Δ-Σ ADC 的查询。 这是一个遗憾,因为我所有的努力,大自然把我放在我的地方!)))

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    您好、Luis。
    也许我急忙说晚上读数不会改变。 那天晚上、我让器件处于开启状态、并意识到该电路板属于自己的生活。 读数完全不稳定、有时温度会偏离她想要的1-2摄氏度。 所以原因不是很清楚,毕竟是可能的,正如你说的,错误的非连续接地是责任。 只是为了理解这一点,你将不得不花费大量的时间和金钱来重建它并重新组装它。 但是、在哪里可以保证不会再次发生温度不稳定的情况呢? 您最好直接转到 Δ-Σ ADC 部分? 你怎么看?

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    你好、Luis。
    你没有时间回答我,我在同一天又写了一篇文章。 今天是我的创意日! 这完全是你的优点。 非常感谢你们,我祝你们一切顺利,并希望我与贵公司的合作将更加积极和富有成果! 今天、我把一整天的时间都花在了我的问题上、作为奖励、我发现我的程序在获取 ADC 数据和对读数求平均值方面不准确。 我在对读数求平均值后忘记使结果无效、它始终与以下结果发生重叠、尽管略有重叠。 在纠正这一错误后,我没有期待任何显著的积极,但一切都到位了! 读数完美,我决定将读数的分辨率提高到0.5摄氏度-一切都清晰,没有干扰。 没有跳,没有问题! 我把传感器与通常的双绞线没有屏幕,同样一切都是完美的! 我尝试了9位精度、即0.25摄氏度。 几乎完美 这一切在任何时候、甚至在高峰时段、甚至在夜间、都没有关系。 我只是在震惊中。 我没想到会有这样的结果! 在过去有多少痛苦。 现在、我可以开始我的产品的大规模生产。
    我需要你多提一条建议。 也许你可以指导我:我需要组织电源装置(三端双向可控硅)的保护,从短路的加热装置(加热元件)。 有许多加热器,3、6、9或12个。 每个功率为3-3.5kW。 我考虑将分流电阻器接地、但如果电阻为0.1欧姆、则可获得23瓦的功率耗散。 当然、这太多了。 如果将分流器设置为0.01欧姆、那么为2.3W、似乎什么都没有、但来自它的电压将只有0.15伏的交流电压、也必须转换为恒定电压、整流二极管就不起作用。 "你知道的,我知道。" 我已经沉默了、现在所有加热元件都通过三角形(220/380V)打开、在这里、分流器也不会起作用。 正如我在前面所说的、我可以使用中性线将加热元件置于230伏的电压上、但这会增加三端双向可控硅开关元件的电流和加热元件的可靠性。 放置6、9或12个电流互感器将非常昂贵。 你能把我的想法引向正确的方向吗? TI 是否有解决方案?

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    尊敬的 Serhii:

    真是个好消息。 我很高兴 OPA2188和 SAR ADC 的噪声测量问题得到改进或得到解决。 感谢您的更新并通知我们。  

    关于三端双向可控硅开关元件的保护问题、这超出了我的专业知识范围。  传感器和/或电流检测应用团队可以提供建议。  由于这是一个新的主题、请启动新主题、在 传感器论坛中提供相关的原理图和/或方框图详细信息、电流检测应用团队可以提供建议或为您指明正确的方向。

    非常感谢。

    此致、

    路易斯

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    谢谢 Luis