Medir automáticamente el voltaje en un amplio rango

Como alternativa al enfoque común que Clabacchio ya ha explicado bien, puede usar A / D de muy alta resolución que requieren 10 s de ms por lectura cuando el resultado es solo para un humano. Generalmente, usted desea actualizar una pantalla digital en el rango de 2 a 4 Hz, por lo que tiene al menos 250 ms por lectura.

Hay delta-sigma A / Ds disponibles que reclaman más de 20 bits. Digamos que 8 bits reales es lo suficientemente bueno, lo que le da una resolución de 1/2 por ciento. Si organiza el voltaje más alto de interés para maximizar la salida de un A / D de 20 bits, entonces puede leer un voltaje 1/2 ¹² más bajo y aún obtener 8 bits. Por ejemplo, si desea que el medidor lea hasta 1 kV, aún podrá leer 1/4 voltios con una resolución de 1/2 por ciento. Si eso es lo suficientemente bueno, entonces no se requiere cambio de rango. El único "rango automático" estaría en cómo se muestra el resultado al usuario.

La forma en que los instrumentos pueden medir varios rangos de una cierta cantidad es a través de la amplificación. Si deja de lado el ajuste de rango automático por el momento, se vuelve mucho más simple conceptualmente.

Diga que tiene un mando, y cada posición del mando activa un amplificador diferente: x1, x10, x100, etc. Normalmente, uno de estos valores será óptimo para hacer el mejor uso del ADC, mientras que las configuraciones más bajas dará una salida demasiado pequeña (por lo tanto, un mayor error de medición) y una mayor amplificación hará que la señal se sature y ponga el instrumento fuera de escala.

Por supuesto, puede ir al revés y usar diferentes tipos de atenuación, para usar señales de amplitud mayores que el rango del ADC.

Tenga en cuenta que puede lograr el mismo efecto encadenando amplificadores (por ejemplo, 10x) y leyendo la señal en varias etapas (de nuevo, utilizando interruptores), en lugar de tener diferentes en paralelo.

Ahora, con respecto al cambio automático, se vuelve más complicado porque tiene que agregar algo de inteligencia para evaluar cuál es la mejor amplificación para obtener la mejor medida. La forma más sencilla (al menos conceptualmente) es leer el ADC y comparar el valor de salida con los umbrales: si devuelve el valor más alto, puede asumir que está saturado, por lo tanto, puede activar una amplificación más baja; si es inferior a un cierto umbral, puede suponer que amplificar la señal proporcionará una mejor lectura.

Por supuesto, tendrá que multiplicar digitalmente la lectura del ADC para compensar la amplificación.

También hay un uso para un condensador en serie ( acoplamiento de CA ), pero no está relacionado con la amplitud de la señal y I Me gustaría que lo ignoraras por ahora, de lo contrario complicaría las cosas.

Hay un artículo interesante que describe exactamente el mismo concepto, pero que utiliza resistencias (divisores de tensión) como atenuadores, en lugar de amplificadores.

Me gustaría agregar otra opción, que es ciertamente la más barata (pero claramente no la más precisa): en lugar de medir el voltaje en sí, mida su logaritmo .

Aquí está la idea básica:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

El principio es el siguiente (esquema izquierdo): el voltaje a través de un diodo es el registro de la corriente que fluye a través de él (I = Is * (exp (V / Vth) -1), donde Vth ~ 25mV a temperatura ambiente). Entonces, lo que tiene que hacer es hacer que fluya una corriente que sea proporcional al voltaje aplicado: ¡eso es lo que hacen las resistencias! El voltaje de salida se mantendrá por debajo de 0.7V a 1kV, lo cual es perfecto para medir con la referencia interna de 1.1V de arduino.

Mejorémoslo (pero manteniéndolo simple)

El circuito a la derecha es básicamente el mismo, pero

• Divido el resistor 1M en 4 resistores de la serie (de modo que el voltaje aplicado de 1 kV esté bien con los resistores comunes de 1 / 4W)
• Reemplazé el diodo con un transistor conectado a diodo (cuyo voltaje es mucho más preciso que el registro de la corriente).

¿Cuáles son los inconvenientes?

1. La corriente que fluye a través del diodo será proporcional al voltaje a través de la resistencia, Vin-Vout, no Vin en sí. Sin embargo, eso es fácil de compensar en el software (y eso también se puede corregir en el hardware, busque el circuito de amplificador operacional "amplificador de transdiode").
2. El coeficiente V es proporcional a la temperatura (en kelvin), por lo que se espera un cambio de ~ 0.3% / ° C.
3. Este circuito no medirá bien voltajes muy bajos (cuando el voltaje de entrada se acerca al voltaje térmico)
4. Finalmente, la impedancia de entrada de esta disposición es solo de 1 Mhm, mucho menor que la entrada de ADC. Esto puede cargar de forma inaceptable el circuito que está tratando de medir.

Todos estos pueden mitigarse un poco (1. es fácil de hacer en el software, 2. se puede compensar, por ejemplo, usando un segundo transistor en una matriz de transistores IC, como LM3046 ...) pero es muy se complicó muy rápidamente si desea una resolución realmente alta.

Entonces, finalmente ...

Si desea el circuito más simple posible, sin ningún algoritmo de conmutación de ganancia (potencialmente no confiable) o partes especiales, y si el voltaje de entrada no es muy bajo, y si está bien con una precisión limitada, esto podría Sé una opción.

Y, sobre todo, no lo olvides ... ten mucho cuidado, ¡el alto voltaje es letal!