Трансф. тока -> ОУ -> АЦП STM32F4xx, как это все связать?

Помогите разобраться с процессом оцифровки сигнала с датчика тока.
Датчик тока, например, в виде тр-ра тока - ферритовое кольцо с обмоткой надетое на провод, ток в котором надо измерить.
Частоту тока в проводнике могу задать разную, 15 кГц, 50 кГц, 150 кГц или др., но не выше 150 кГц.
Ток небольшой, зависит от генератора, ну, допустим, +/-10 мА (двунаправленный).
Более-менее понятную схему нашел здесь: https://www.compel.ru/lib/96704.
Возникли вопросы: какой ОУ лучше использовать; питание его однополярное или двуполярное; при передаче сигнала на АЦП МК обязательно ли добиваться диапазона от 0 до 3.3 В, или, как в схеме по ссылке: от 110 мВ до 3,19 В?
Если использовать тр-р тока, то в начале работы есть переходной процесс, который искажает нижнюю полуволну и занижает амплитуду верхней. Параметры тр-ра я взял на глаз, просто, чтобы получить на его выходе 100 мВ. И я не знаю, какой коэффициент связи между обмотками.

Если использовать шунт, то таких искажений нет. Но шунт большой величины я использовать не могу, это увеличит сопротивление измеряемой цепи, а это колебательный контур и вносить большое сопротивление в него нельзя. 10 мОм, наверное, максимум. И, чтобы получить те же 100 мВ на шунте, надо через него пропустить ток в 10А, а это многовато.
И я не понял, почему именно 100 мВ должно быть на шунте? Может можно уменьшить?
Может быть, есть другая схема?

Отличие Вашей схемы от приведенной по ссылке в том, что, насколько я понял, собираетесь измерять переменный ток, т.к. применяете трансформатор.

По ссылке в схеме с шунтом можно измерять как переменный, так и постоянный ток (биполярный) т.е. в статике тоже можно.

Это я все веду к тому, что зачем вам воспроизводить синусоиду, смещенную относительно нуля на выходе схемы. Это ж потом куда-то пойдет на АЦП и потом еще определять среднеквадратичное или амплитудное значение переменного тока или что Вам там нужно.

Не целесообразнее ли в таком случае применить схему выпрямителя на ОУ, т.к. меряем собственно значение тока, а не его направление?

Кстати в схеме для симуляции ошибка - лишний источник напряжения V2 = 1.65 В. Это опорное уже формируется цепочкой R6, R7 и буфером X2. А так вы подключили батарею 1,65В к выходу операционника, на котором данное напряжения и так будет. Сравните со схемой по ссылке, там не так - обозначение Vref - это просто обозначение, что в данной точке опорное.

P.S. А вообще, правильно и точно поставленное т.з. это уже много-много процентов работы

Я тут покрутил в уме эту задачу и во многом разобрался.
V2 я просто забыл отключить, я пробовал с формированием опорного напряжения на X2 и отдельно на V2. С X2 заметно медленнее процесс моделирования идет.
Мне надо измерять переменный ток, шунт не подходит, а вот ТТ в самый раз.
Да, потом с ОУ сигнал пойдет на АЦП и он должен быть от 0 до 3.3 В. И важно на выходе получить точно такой же сигнал, как и на входе, только на входе он +/- 100 мВ, а на выходе: от 0 до 3.3 В.
Насчет искажения нижней полуволны - это происходит из-за однополярного питания ОУ, я добавил немного отрицательного питания (0.2 В) и искажения исчезли.
Чтобы поднять напряжение на выходе именно до 3.3 В, нужно поднять напряжение питания до 5В, этот ОУ такое позволяет. Но формирование опорного надо изменить.
Я в первый раз столкнулся с необходимостью использовать ОУ, вот, осваиваю.

Вопрос - а двухполярное питание есть? Тогда примерно представляю как можно решить. С однополярным, затрудняюсь, однако.

В реале у меня пока ничего нет.

Задача интересная, но, в принципе, решаемая.

Сложность связана прежде всего с высокой частотой входного сигнала и высоким КУ входного усилителя, что накладывает определенные требования на применяемые ОУ.

Могу предложить схему в качестве рабочего "наброска", который требует доведения до требуемых характеристик (частота тока, требуемая точность внизу диапазона измеряемых токов), с которыми Вы сами определитесь. Так что еще требует суръезной работы, без решений в лоб.

Схема следующая:

Результаты моделирования:

Питание там двухполярное - не менее +-8В, лучше больше (обычно делаю +-15В).

Первая часть - дифф. усилитель, на входе +- 0,1В, 1кГц, выход +-3,3В.

Здесь первая проблема - Ку большой, следовательно усиление при повышении частоты падает. Нужно подбирать быстродействующий ОУ. Либо распределять усиление на несколько таких ступеней с меньшим Ку, что позволить расширить полосу пропускания.

Вторая проблема - он должен быть еще с малым напряжением сдвига (Offset Voltage) для получения, по возможности, симметричной относительно нуля синусоиды на выходе дифф-а - это тоже следствие большого Ку. Иначе получите на выходе выпрямителя прыгающую по высоте от периода к периоду ф-цию |sin x|

По поводу ДУ - я бы, наверное, подобрал быстродействующий ОУ (на биполярных ???) с возможностью триммирования Offset Voltage.

Вторая часть - активный двухполупериодный выпрямитель, позаимствована мной из одного промышленного устройства ))) При необходимости выход нужно пофильтровать.

Ограничения по ОУ в принципе все те же самые, только здесь уже не нужно низкое напряжение сдвига. Нужна высокая скорость наростания выходного напряжения, особенно это касается ОУ с диодами на выходе, т.к. ему в промежутках между замыканиями ОС нужно быстро переходить через ноль. Иначе будут погрешности при измерении малых токов. В данной конфигурации работает приемлимо до 10кГц...ну может 20кГц.

Если есть желание, можете доработать самостоятельно))) Ну или может кто еще чего предложит...

Добавлено after 11 minutes 18 seconds:
Re: Трансф. тока -> ОУ -> АЦП STM32F4xx, как это все связать?
Кстати, посмотрите датчики тока на эффекте Холла типа ACS712, LP25 и подобные. Мне кажеться там со стыковкой легче решить.

Eastlogic писал(а):

Кстати, посмотрите датчики тока на эффекте Холла типа ACS712, LP25 и подобные.

У ACS712, говорят, большие проблемы с экранировкой, этот датчик реагирует на все подряд, что рядом окажется, а не только на ток в проводе. И выход у них 5В, а мне нужен 3.3В. И самый чувствительный из них на 5 А, а мне нужно гораздо меньше.

Схема ваша выдает совсем не то, что нужно. На выходе не входящий синусоидальный сигнал, а его выпрямление. Этого не надо.
На выходе должен быть тот же сигнал, что и на входе, желательно без малейших искажений, и в диапазоне от 0 до 3.3В для подачи потом на АЦП микроконтроллера. Я не знаю, какое входное сопротивление АЦП, надеюсь, больше 100 Ом.

В начале работы выходной сигнал залезает в отрицательную область, и занижена амплитуда верхней полуволны. Потом приходит в норму. Это, наверное, из-за трансформатора тока.

Вот еще один момент: если входной сигнал несимметричен относительно нулевой линии, то в таком же виде он должен быть на выходе, а в моей схеме он отображается симметрично относительно опорного напряжения 1.65 В, а должно быть не так, насколько я понимаю.

Насчет трансформатора тока пока никаких точных данных нет, хочу его намотать и измерить параметры, а потом добавить в схему.

Скачать схему

Добавлено after 1 hour 32 minutes 10 seconds:
Re: Трансф. тока -> ОУ -> АЦП STM32F4xx, как это все связать?
Что-то меня заклинило на этих 100 мВ на входе ТТ, лучше же сразу ток указывать: +/-10 мА (например), на это же весь расчет.
Ну и от нагрузки (входного сопротивления АЦП) тоже все зависит. Сколько же оно составляет? И хорошо бы, чтобы оно стабильное было. Плату отладочную я заказал, но все никак не привезут, уже второй месяц...

Vlad_RK писал(а):На выходе должен быть тот же сигнал, что и на входе, желательно без малейших искажений, и в диапазоне от 0 до 3.3В для подачи потом на АЦП микроконтроллера. Я не знаю, какое входное сопротивление АЦП, надеюсь, больше 100 Ом.

Ну теперь понятно, что нужно, не понятно только зачем. Для чего Вам воспроизводить форму синусоиды, хоть убейте, понять не могу. Чтобы потом заморачиваться с математикой и вычислять амплитуду или RMS ? Или вы форму контролировать будете или моменты перехода через ноль или что вообще делать собирались ?

А так подойдет дифф. усилитель со смещением вверх, да хоть как у Вас по схеме.

Vlad_RK писал(а):В начале работы выходной сигнал залезает в отрицательную область, и занижена амплитуда верхней полуволны. Потом приходит в норму. Это, наверное, из-за трансформатора тока.

Вас серъезно это беспокоит и думаете что это отражает действительность?
Я бы сказал, "в начале работы симулятора" - выходите за его пределы, собирайте реальные схемы )))

Vlad_RK писал(а):Вот еще один момент: если входной сигнал несимметричен относительно нулевой линии, то в таком же виде он должен быть на выходе, а в моей схеме он отображается симметрично относительно опорного напряжения 1.65 В, а должно быть не так, насколько я понимаю.

Повторюсь - Вы серъезно? Вы неверно понимаете принципы работы трансформатора. Постоянная составляющая на входе в трансформатор - это плохая идея и режим работы для него, со всеми вытекающими последствиями. Кроме того синусоида с постоянной составляющей не может быть передана на выход трансформатора в первоначальном виде, что, надеюсь, не требует пояснений.

Если Вам необходимо измерение тока с постоянной составляющей, то здесь подойдут либо резисторы либо датчики Холла.

Электрические параметры АЦП для STM32 (любых существующих) Вы сможете найти в даташите. Они все-таки существуют.

Про транс я ступил... Хреново, мне нужен сигнал с постоянкой. А датчики Холла недостаточно чувствительные, да еще и со своими заморочками. Остается только шунт, но нужен предварительный усилитель, потому что ток небольшой, а сопротивление его маленькое.
Вот засада.

Оцифровку надо делать на горячей стороне. Через гальваноразвязку передавать цифровые сигналы и питание горячей части. Например, с помощью ADUM6402, он и сигнал развяжет, и питанием накормит.

Я вообще без понятия, что это такое и даташит ситуацию не прояснил. Насколько я понял, это какой-то цифровой изолятор для логических схем...
А мне нужно 15 кГц переменки, с постоянной составляющей, амплитудой 10 мА преобразовать в напряжение от 0 до 3.3 В для подачи на АЦП.
Я тут думаю шунт использовать, на нем 5 мкВ через ОУ AD8551 передать на АЦП. Но, если с синусом от -10 до 10 мА все нормально, то если будет ток от 3 до 10 мА или любая другая ситуация, или несинусоидальный сигнал, но целиком лежащий в диапазоне от -10 до 10 мА, то уже на выходе ерунда получается.
Если есть желание помочь, разобраться вместе, то выложу здесь схему, осциллограммы с микрокапа и пр.

Ну раз без понятия, диктую рецепт салата. Взять: ADUM6402, ADC121S101, REF19x по вкусу, прецизионный ОУ (два в одном) - тоже по вкусу и как следует перемешать. На одном ОУ делается усилитель входного сигнала со смещением его, другой буферирует половину рефа с делителя для первого. Схему не рисую, лениво, но она уже много где была обкатана и широко применяется в изделиях моей разработки. Претензий никаких нет.

Добавлено after 1 minute 1 second:

Vlad_RK писал(а):

Если есть желание помочь, разобраться вместе, то выложу здесь схему, осциллограммы с микрокапа и пр.

А давайте сюда вашу схему. Посмотрю, что там и что и как можно сделать. Но - не сегодня уже. Завтра на работе, наверно.

На схеме у меня сейчас ток через шунт от -10 до +10 мА. Подобрал усиление и смещение последнего каскада (1.65 В) так, чтобы на выходе напряжение было от 0 до 3.3 В.
Проблема в том, что если изменить ток через шунт, например, от +4 до +10 мА, то на выходе напряжение повышается выше предела 3.3 В. А если от -6 до -10 мА, то вообще уходит в отрицательную область. Но ток остается в пределах -10 ... +10 мА, и на выходе напряжение должно быть в пределах 0 ... 3.3 В.
Усиление всей схемы держится стабильное вне зависимости от тока (0.33 В на выходе на каждый микровольт на входе), а вот смещение как будто плавает. Есть у меня подозрение, что это из-за слишком низкого напряжения на входе: от -5 до +5 мкВ. Для AD8551 указана чувствительность 1 мкВ, но непонятно в каких условиях, может на постоянном токе? А у меня 15 кГц.
Скачать схему

В картинке выложите, я симуляторов у себя не держу.

PS. Пока - вот моя схемка.

PPS. 1 мкВ - это не чувствительность ОУ, это (кстати, не 1, а 5 мкВ, всегда надо брать максимально плохое значение) смещение нуля ОУ, приведённое ко входу. То есть, чтобы оценить смещение выхода, надо знать коэффициент усиления каскада на ОУ (с ОС, разумеется). В вашем случае коэффициент будет, скорее всего, порядка десяти или нескольких десятков. Ну пусть даже сто. Значит, максимальное смещение на выходе будет не более 500 мкВ, что меньше МЗР АЦП. Что касается 15 кГц: указано, что произведение коэффициента усиления на частоту, то есть частота единичного усиления при наклоне АЧХ -20 дБ/декада равно 1.5 МГц. Значит, для 15 кГц может быть усиление до сотни, но не больше, и там уже о прецизионности можно забыть. Так что, если с шунта идёт слишком мало милливольт, то не пришлось бы ставить второй каскад... Лучше, однако, обойтись одним, снизив усиление, чтобы было гораздо меньше ста. Для этого, возможно, придётся увеличить сопротивление шунта.

Последний раз редактировалось mickbell Чт янв 16, 2020 21:00:27, всего редактировалось 3 раз(а).

Для двухполярного симметричного сигнала схема заработала отлично. Но мне нужно ее немного развить и появились проблемы.
С выхода схемы мне нужно подать напряжение на вход АЦП контроллера ARM, поэтому схема должна преобразовать входной ток +/- 10 мА в выходное напряжение от 0 до 3.3 В. Это я сделал, добавив постоянное смещение нуля последнего каскада (1.65 В):

Но если ток будет иметь постоянную составляющую, то на выходе напряжение может выйти из диапазона 0-3.3 В, хоть на входе ток и останется в пределах +/- 10 мА, и на выходе амплитуда вполне нормально изменится пропорционально входному току. Т.е. с усилением все нормально (в 330 000 раз), но со смещением нуля непорядок.
Входной ток +/- 10 мА нормально преобразуется в выходное напряжение от 0 до 3.3 В, но, если ток будет от -2 мА до 10 мА, то на выходе должно быть напряжение от 1.32 В до 3.3 В (средняя точка 1.65 В), а на деле получается от 1.46 В до 3.441 В:

А если ток будет от -10 мА до 2 мА, то на выходе должно быть напряжение от 0 В до 1.98 В, а на деле получается от -140.796 мВ до 1.839 В (вообще в отрицательную область ушло):

И другие варианты:

И несинусоидальный ток, хоть и находящийся в пределах +/- 10 мА (в которых для синуса схема работает нормально), тоже преобразовывается на выходе неправильно, должно быть от 0 до 3.3В вне зависимости от формы сигнала, а тут напряжение вообще вышло за границы с обеих сторон:

Что это, коэффициент усиления изменяется в зависимости от формы сигнала?

Извините, нет времени детально рассматривать схему, т.к. это может занять довольно длительное время. Хотя если время позволит, то посмотрю.

Но, все же мне кажется, что в данной постановке Вы решаете нерешаемую задачу. Нельзя так просто налепить кучу ОУ и получить что-то вменяемое.

Даже беглого взгляда достаточно, чтобы сказать - Ну нельзя запитывать AD8551 двухполяркой +-5В, хотя бы потому, что в даташите явно указано Absolute Maximum Ratings - Supply Voltage = 6V. У Вас же 10В.
Ко всему прочему совершенно конский общий коэфф. усиления - умножается погрешность, связанная с Offset Voltage. А ничего хорошего от этого не будет.

Посмотрите хотя бы возможности мультиметров "около топового" уровня, взял один из мануалов какие были под рукой - лабораторный мультиметр HP3478A. Имеет предел измерения переменного тока 300мА, может мерить до 20кГц, с различным разрешением в зависимости от режима (3,5; 4.5; 5.5 знака) в общем-то до дискретности 1мкА. Детальные характеристики взгляните сами, не суть.

Главное - падение напряжения на этом приборе при этом на полном токе 300мА заявлено 1В. Т.е. входное сопротивление 1/0,3 = 3,3 Ом !!!

Сравните с тем что пытаетесь разработать и так прикинте, решаема ли задача вообще )))

Я просто говорю о постановке задачи и анализе возможностей достижения результата, т.к. детально не вникал. Вижу, что собираетесь измерять падение напряжение на сопротивлении 500 мкОм !!! (микроОм Карл!!!) с током +-10мА с довольно большой частотой, умножая при этом погрешности ОУ из-за огромного КУ. И совершенно непонятно, что будет на практике с устойчивостью и АФЧХ данной схемы при таком КУ.

Увеличивайте сопротивление шунта, снижайте КУ и будет Вам счастье )))

Да, я подумал, что +/-5В, а не 5В в сумме. Тогда этот ОУ не годится, не выдаст он 3.3В на выходе.
Взял NE5532 (питание +/-10 В), сопр. шунта увеличил до 0.1 Ом и ток до 1А, каскад один. Вроде бы все нормально.

Но 0.1 Ом многовато, наверное, будет, да и источник сигнала должен выдавать 1 А, 15 кГц. Ладно, что-нибудь придется придумать.
Большое количество каскадов мне тоже очень не нравится, но главная проблема - сопротивление шунта, хотелось сделать его как можно меньше. Но, видно, не получится.

Мне вот интересно - данная схема это чисто спортивный интерес типа "просто АЦП пощупать" или есть какая-то прикладная задача?

Ну, конечно, не просто так. Мне нужно в параллельном LC контуре токи замерить в цепи L и в цепи С. Чтобы потом вычислить параметры контура. Индуктивность изменяется в процессе, и с большой скоростью, так что просто прибором не измерить. А надо знать, как она там изменяется. Эксперимент такой.

А какие ОУ лучше использовать? Схему я переосмыслил, каскад один, напряжение на входе подниму, будут не мкВ, а десятые доли вольта или больше.
Важно, чтобы стабильность была, от температуры не плыли параметры, и наверное, АЧХ должна быть ровная хотя бы до сотни кГц.
Ну, по АЧХ я подобрать могу, графики в даташитах есть, а вот на что еще ориентироваться?