Звуковые генераторы, фильтры и другие аналоговые устройства (кроме радиотехники и УНЧ)
Ответить

Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Пн сен 09, 2019 13:31:57

Всем добрый день!

Передо мною встала задача: измерение переменного тока при помощи датчика тока LEM LA25-NP и микроконтроллера Atmega128. Датчик питается от двухполярного напряжения, и чтобы его получить, я использую микросхему Aimtec AM1D-1215 (из 12 вольт делает +/- 15В), а к измерительному выходу M я подключаю нагрузочный резистор, который подключается к "средней точке" микросхемы питания датчика. Через датчик я пропускал различные токи, от 1 до 8 Ампер (максимальный ток, который я собираюсь измерять - 25А), а потом мерил тестером напряжение на резисторе, и результаты в принципе совпадали с расчётными, тем более, что мне не нужна высокая точность (резистор - 100 Ом, коэффициент трансформации датчика - 1:1000. При подаче 25А на выходе я получаю 0,025, и после умножения на номинал резистора я получаю 2,5В , в то время как АЦП микроконтроллера имеет опорное напряжение в 2,56В). Мой вопрос заключается в следующем: на нагрузочном резисторе у меня переменное напряжение, и я не могу его просто так подать на АЦП микроконтроллера (полагаю, что я просто испорчу мк). Как его можно выпрямить? Я пробовал ставить между датчиком и нагрузочным резистором диодный мост, но тогда у меня появлялись большие погрешности (на микроконтроллере у меня уже написана программа, которая выдаёт измеренное напряжение по UART на пк). Знаю, что возможно выпрямление сигнала при помощи операционных усилителей, но эта крайне тёмная для меня тема. Буду очень благодарен, если мне кто-нибудь объяснит какие-нибудь способы преобразования сигнала с нагрузочного резистора в сигнал, пригодный для измерения АЦП микроконтроллера.

Схема, нарисованная от руки (надеюсь, это ничего?):

Изображение

P.S. Нужно ли объединять среднюю точку микросхемы AM1D с землёй микроконтроллера?

Заранее благодарю всех за предоставленные ответы.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Пн сен 09, 2019 17:09:32

Это делается так. Прежде всего, нужен внешний источник опорного напряжения. Я пользуюсь линейкой REF19x, тут очень хорошо подойдёт REF198 (UREF = 4.096 В). Предлагаю сделать так. Делителем из прецизионных резисторов одинакового номинала делаете из него UREF/2, буферизуете его прецизионным же опером (k = +1, тип опера - по вкусу) и к нему подключаете нуль аймтека. Выходной резистор уменьшаете до примерно 75, или даже 50 Ом (вы про амплитудное значение не забыли?). Таким образом на верхнем выводе резистора получается смещённая на половину рефа, то есть, 2.048 В, вверх синусоида амплитудой около 2 В, которую уже и оцифровываете.

Добавлено after 1 minute 22 seconds:
PS. Ах да, забыл я уточнить: UREF - внешнее опорное для АЦП, его надо подключить к меге и не забыть подключить вход внешнего рефа программно.

Добавлено after 3 minutes 17 seconds:
PPS. Как подключать среднюю точку аймтека, я сказал. Опер и реф питаются от того же напряжения, что и мега, то есть их общие объединены.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 09:30:49

micbell, большое спасибо за подробное объяснение! Мне только не понятен один единственный момент: ноль аимтека подключается к резистивному делителю, или к операционному усилителю?

Вот как я это увидел (опять схема от руки):
Изображение

Пожалуйста, поправьте меня, если что не так.

Ещё раз большое спасибо.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 10:00:13

К выходу опера, разумеется. Опер для того и нужен.

Добавлено after 4 minutes 3 seconds:
PS. Схема неправильная. Во-первых, буфер, то есть усилитель с коэффициентом +1, делается не так. Надо его выход соединить с инвертирующим входом, а на неинвертирующий подавать напряжение с делителя. Номиналы резисторов делителя взять 10 кОм, такого издевательства, как тут нарисовано, реф не выдержит. Выход опера подать только на среднюю точку аймтека. Нарисуйте всю схему, наверняка ещё косяки вылезут.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 11:06:54

Реф, опер, резюк, транзюк... Как-то мы уже спорили о терминологии :)))

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 11:23:15

mickbell, я нарисовал новую схему, но уже в Altium'е. Посмотрите, пожалуйста.

Изображение

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 11:51:25

Ну вот, совсем другое дело. Вопросы, однако, остались.
1. Не указан тип ОУ. Рекомендую какой-нибудь сдвоенный. Сейчас станет понятно, почему.
2. На питании ОУ не вижу блокировочный конденсатор.
3. C6 может оказаться лишним. Был прецедент, что в похожей схеме опер возбуждался, работая выходом на этот конденсатор. Но там ёмкость была гораздо больше. Лучше поставьте конденсатор параллельно нижнему резистору делителя.
4. Хотя выходное сопротивление датчика небольшое, всё же я, пожалуй, выход датчика прогнал через ещё один буфер - на второй половинке опера.
5. А перед этим буфером надо бы поставить ФНЧ хотя бы первого порядка.
Поправьте и покажите схему. Вдруг что ещё выплывет.

Добавлено after 2 minutes 28 seconds:
PS. Эээээ, не понял. Вы 12-вольтовый (по входу) аймтек питаете пятнадцатью вольтами? Низзя.

Добавлено after 1 minute 32 seconds:
PPS. Третью ногу рефа соедините со второй. Можно и так, но лучше как я сказал. У нас принято их соединять.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 15:02:43

mickbell, я немного подправил схему.

Я выбрал двухканальный операционный усилитель AD8542ARZ по принципу цены и доступности. Вот ссылка на него: https://www.chipdip.ru/product/ad8542arz. Я писал, что тема ОУ для меня пока ещё сложна, поэтому, по большей части, я подобрал его очень приблизительно. Блокировочный конденсатор добавил на питание ОУ, и доп.конденсатор параллельно нижнему резистору делителя. Ещё к своему стыду я не очень понимаю, как рассчитывается ФНЧ первого порядка. Прочитал несколько статей, потом воспользовался калькулятором на одном из сайтов (в даташите датчика тока был указан частотный диапазон от 0 до 150 кгц), мне выдало, что мне нужно использовать конденсатор на 106,6 пФ при использовании резистора на 10 кОм. Вряд ли этот подход можно считать правильным, но я ещё как следует изучу этот вопрос, т.к. поставленной цели достичь надо. На вход Аимтека теперь подаю положенные 12 вольт.

Изображение

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 15:39:18

Схема нормальная, опер подойдёт.
О расчёте ФНЧ. Частота среза (на ней ослабление 3 дБ), считаем, известна. Вы взяли, как я понял, 150 кГц. Как её выбрать - тут, я думаю, вопросов нет, она должна быть несколько выше или даже равна верхней частоте спектра вашего входного сигнала. С элементами фильтра она связана так: Fср = 1/(2*п*R*C). Вопрос, как выбрать R. Можно из общих соображений - у этого опера входной ток мизерный, падение от него на этом резисторе можно не учитывать. Так что 10 кОм - разумно. Тогда ёмкость конденсатора C = 1/(2*п*R*f) = 106 пФ. Берём 100 пФ, блох ловить тут ни к чему. Если бы номинал ёмкости получился некруглый, то разумно было бы конденсатор брать из ряда E1 (100 пФ, 1 нФ... ), а уже номиналом резистора установить частоту среза.

Добавлено after 1 minute 53 seconds:
PS. Ууууу... сразу не заметил. Зачем выход опера, который к МК, вы зверски грузите 50 омами? Не надо туда ничего.

Добавлено after 7 minutes 19 seconds:
PPS. Понял я, что за 50 Ом. Его подключите между GND_0 и выходом DA1 (цепь BUF). А что, ток у вас столь высокочастотен, что его полоса частот аж до 150 кГц?

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 15:41:45

mickbell, я вспомнил Ваши слова по поводу выходного резистора, вы советовали опустить его до 75 - 50 Ом. Мне почему-то показалось, что "грузить" его надо на выход со второй половинки ОУ, а потом уже сигнал оттуда подавать на мк. Получается, что этот нагрузочный резистор, с которого я раньше получал переменное напряжение для оцифровки, надо ставить перед ФНЧ?
Последний раз редактировалось Selivanov_Sasha Вт сен 10, 2019 16:12:13, всего редактировалось 2 раз(а).

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 15:42:11

Я там дополнил своё сообщение, гляньте.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 16:13:02

mickbell, перенёс резистор туда, куда вы указали. Ток, который я измеряю, обыкновенный - 50 - 60 Гц (сеть), но в даташите к датчику тока (в разделе точностно-динамических характеристиках) указано: частотный диапазон (-1дБ) = 0..150 кГц. Как я понял, это частота выходного тока с датчика, хотя ни опровержения, ни подтверждения этому я нигде пока не нашёл.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вт сен 10, 2019 17:09:01

Тогда имеет смысл ограничить частотный диапазон, скажем, половиной или четвертью от частоты дискретизации АЦП. То есть примерно килогерцем. Одним.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Ср сен 11, 2019 09:23:53

Реф, опер, резюк, транзюк... Как-то мы уже спорили о терминологии :)))
Резюков и транзюков я себе не позволяю, а остальное - а мне можно, вот.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Ср сен 11, 2019 10:40:21

mickbell, я правильно понял, что Вы предлагаете ограничить частотный диапазон с выхода датчика тока? Получается, что мне для этого нужно сделать перерасчёт ФНЧ?

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Ср сен 11, 2019 11:28:15

Да. Вы ведь всё равно не оцифруете АВРским АЦПом 150 кГц, ему просто не хватит скорости.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Ср сен 11, 2019 11:31:22

Да, частотный диапазон должен быть ограничен. Какой ток вы собираетесь мерять? Если это пятидесятигерцовая синусоида, то всё, что выше 50 Гц - помехи, наводки, и прочий шум, его лучше ликвидировать до того, как он попадёт в АЦП, иначе для уменьшения влияния шумов придётся усреднять данные за несколько периодов, это замедлит работу . Если надо мерять ток, скажем, монитора (полезный девайс, в сотый раз демонстрирую картинку по разным поводам), для оцифровки такого далёкого от синусоиды тока отсчётов на период нужно на порядок больше и фильтр перед АЦП надо расчитывать не на 1, а на 5-10 кГц.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Вс сен 15, 2019 10:21:25

Десять килогерц АЦП меги не осилит, пять ещё сможет, да и то с трудом. С кварцем 16 МГц частота дискретизации будет 9.6 кГц, полоса сигнала - ну пусть до четырёх килогерц, но и то - тогда фильтровать вход надо как следует, не первым порядком ФНЧ, а то как полезут злобные алиасы...

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Пн сен 16, 2019 07:53:51

HochReiter, я планирую мерить ток на выходе автотрансформатора, у него диапазон выходного тока от 0 до 20 Ампер (25 ампер - это уже с запасом). Частота тока 50 Гц. Я уже купил все необходимые компоненты, и планирую всё это собрать на макетной плате (только не знаю, как лучше поступить - собрать на безпаечной, или всё-таки распаять).

mickbell, если АЦП меги на подойдёт для таких целей, то, может быть, мне стоит посмотреть в сторону внешних АЦП? Я мельком проглядывал, там есть микросхемы, которые можно опрашивать по SPI.

Несмотря на то, что реальных результатов у меня ещё пока нет, хочу выразить вам благодарность за помощь.

Re: Измерение переменного тока при помощи AVR и LA25-NP.

Пн сен 16, 2019 09:59:41

может быть, мне стоит посмотреть в сторону внешних АЦП? Я мельком проглядывал, там есть микросхемы, которые можно опрашивать по SPI.
Если по какой-то причине АЦП меги не годится, то рекомендую внешний АЦП (сам часто его закладываю в изделия) ADC121S101. Чаще всего он работает в связке с REF198 (питается от него) и ADUMом-каким-нибудь для гальваноразвязки от контроллера. Последние ADUMы умеют не только развязывать сигнальные линии, но и питать горячую сторону развязанным питанием. Также им в отличие от первых ADUMов не присущ тиристорный эффект.
я планирую мерить ток на выходе автотрансформатора, у него диапазон выходного тока от 0 до 20 Ампер (25 ампер - это уже с запасом). Частота тока 50 Гц.
Это частота первой гармоники тока. А гармоник этих, у котороых уровень ещё надо считать существенным, может быть немало, так что полоса частот должна быть как минимум до единиц килогерц.
(только не знаю, как лучше поступить - собрать на безпаечной, или всё-таки распаять).
Однозначно второе. Беспаечные макетки, как показывает не мой опыт, фуфлецо то ещё. Замучаетесь понимать, где причина неработы: то ли в неконтакте, то ли в своих кривых лапах.
Ответить