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Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto UtenteTekonoris » 14 set 2020, 9:26

Stavo leggendo un articolo su un circuito di un termometro digitale con LM335.
Il circuito mi sembrava molto "ricco" perché la soluzione prevedeva un LM336 come riferimento di tensione e un OpAmp da Strumentazione realizzato con la configurazione a 3 OP seguito da un filtro passabasso del 2° ordine. Allego lo schema dell'op che è la parte che mi interessa (non considerate ancora l'alimentazione):



Leggendo "in giro" utilizzo questo op da strumentazione perché: "elimina tutti i disturbi di modo comune in ingresso, cioè rumori, ronzii,ecc. amplificando solo la differenza dei due segnali applicati agli ingressi" (n.b.: non mi è chiarissimo cosa elimina, devo indagare meglio). Comunque alla fine dovrei avere un differenziale di precisione con il vantaggio di avere un guadagno regolabile modificando, eventualmente con trimmer, la sola R3.

G=\left ( 1+\frac{^{R4_{a}+R4_{b}}}{^{R3}} \right )\cdot \frac{R9_{b}}{R9_{b}}

Andando a leggere altra documentazione, leggo che se voglio calibrare il circuito posso aggiungere un Trimmer in serie a R9b (R9b = R9a-10% + Trimmer in serie da R9a*20%) per ottenere 0V in uscita quando cortocircuito i due ingressi (Differenziale = 0V).
Il testo diceva: "Il circuito può essere realizzato con LM358 o LM324 ...".
Visto che non sono Rail-to-Rail, ho un'uscita che non sarà mai 0V.
Immagino che anche mettendo dei Rail-to-Rail non otterrei mai 0V esatti e comunque potrei calibrare al numero più basso fermandomi appena la tensione sale da quel valore minimo...

Visto che mi "complico la vita" inserendo un op da strumentazione, immagino di volere un'alta precisione anche nella calibrazione.

La Domanda è: per calibrare l'OP devo prevedere per forza un'alimentazione duale ?
Posso pensare di attaccare temporaneamente, una pila da 1,5 V in modo da ottenere un'alimentazione duale (temporanea) +5 V / -1,5 V (vedi schema sopra)?
C'è un altro modo ? Utilizzando ad esempio il citato LM336 e V0, quindi leggere un differenziale preciso, ma maggiore di 0 ?
Quale è la pratica comune ?

Come al solito vi chiedo scusa se mi sono espresso in maniera poco precisa o chiara.
Grazie a tutti
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[2] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 14 set 2020, 10:02

per calibrare l'OP devo prevedere per forza un'alimentazione duale ?
Penso di si, e poi devi manternere la stessa alimentazione durante il funzionamento.

Posso pensare di attaccare temporaneamente, una pila da 1,5 V in modo da ottenere un'alimentazione duale (temporanea) +5 V / -1,5 V (vedi schema sopra)?
forse -1,5 V si se la lasci poi permanentemente inserita.

Se vuoi qualcosa di preciso, perché vuoi risparmiare sulla alimentazione duale ?
Magari un piccolo DC-DC converter che genera un -5 V a partire dal +5V costa poco.
Una volta veniva realizzato dal +12V con un oscillatore 555, mi pare due diodi e due condensatori e un 7905.

O_/
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[3] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto UtenteTekonoris » 14 set 2020, 10:30

Visto che normalmente mi attacco a un processore e le tensioni negative sono poco gradite... se posso evito.
Comunque il concetto è chiaro: Alimentazione duale FISSA, non solo per la calibrazione.

Con l'occasione :D faccio un'altra domanda...

Si parla anche di un'impedenza in ingresso maggiore. Ma se l'op è sempre lo stesso e il guadagno anche, perché ho un'impedenza maggiore ?

Grazie 1000
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[4] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 14 set 2020, 10:38

Si parla anche di un'impedenza in ingresso maggiore. maggiore di cosa?
Del singolo stadio differenziale certamente si.
Guarda che nello schema dello stadio differenziale hai invertito + con - .
L'impedenza in ingresso dipende dalle resistenze dello stadio, e sono diverse fra loro.

I due stadi in ingresso fanno da inseguitori di tensione con impedenza ingresso molto elevata.
Leggi il data sheet del componente. O_/
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[5] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto Utenteboiler » 14 set 2020, 11:05

Si tratta di una curiosità per studiare il circuito o di un problema reale da risolvere?

Perché nel secondo caso cambierei approccio: gli amplificatori da strumentazione discreti si facevano nella preistoria.

Ci sono componenti come l'INA129 che per 3 dollari ti risparmiano un sacco di grattacapi. Il CMRR di un amplificatore da strumentazione dipende dal matching dei resistori della rete di feedback. Averceli integrati e trimmati al laser in fase di produzione ti permette di avere un'attenuazione del common mode di oltre 120 dB, cosa che sarebbe altrimenti difficile da ottenere.

Anche l'offset è molto modesto e per l'applicazione in questione completamente trascurabile anche senza calibrare (nel peggiore dei casi, con l'elettronica a 125°C hai un errore pari a circa 0.1°C, l'errore intrinseco dell'LM355 è di almeno un fattore 20 maggiore).

Li puoi usare comodamente anche in single-supply.

Visto che dai il tutto in pasta ad un microcontroller, eventuali calibrazioni falle in digitale.

Boiler
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[6] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto UtenteTekonoris » 14 set 2020, 11:40

boiler ha scritto:Si tratta di una curiosità per studiare il circuito o di un problema reale da risolvere?

Si è curiosità. Spesso cerco di leggere di circuiti già fatti per prendere idee e per capire... :D
In questo caso come dicevo nel primo post, mi ha incuriosito questa necessità di precisione per un circuito che, nella mia ignoranza, avrei fatto collegando la sonda a un op e nient'altro...
Mi scarico il Datasheet dell'INA e me lo studio...

MarcoD ha scritto:Leggi il data sheet del componente.

Per quanto riguarda l'impedenza, non riesco a capire... Il datasheet mostra il circuito (in effetti l'ultimo op ha il + e - invertiti), indicandolo come "High Input Z Adjustable-Gain DC Instrumentation Amplifier", ma l'impedenza non è dipendente dal Beta e A0l ? quindi se uso la stessa configurazione come posso avere una impedenza maggiore del circuito con un solo op ?

Sicuramente sbaglio qualche (molte) cose, proverò a cercare qualche testo che mi illumini...

Grazie
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[7] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 14 set 2020, 11:59

Dato che stai facendo le cose per curiosità, aggiungo che solitamente non si fa così per leggere la temperatura, perché i circuiti industriali non devono costare più di \epsilon, con epsilon piccolo a piacere.
In genere si utilizza un NTC come resistenza verso 0V all’interno di un partitore e si fa una acquisizione raziometrica con l’ADC interno al microcontrollore.
Se ti interessa la teoria di questa tecnologia puoi leggere questo articolo e i sei seguenti.

Ciao
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Io capisco le cose per come le scrivete. Per esempio: K sono kelvin e non chilo, h.z è la costante di Planck per zepto o per la zeta di Riemann e l'inverso di una frequenza non si misura in siemens.
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[8] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto Utenteboiler » 14 set 2020, 12:19

PietroBaima ha scritto:In genere si utilizza un NTC come resistenza verso 0V all’interno di un partitore e si fa una acquisizione raziometrica con l’ADC interno al microcontrollore.


Verissimo, con alcune eccezioni: l'NTC per certe applicazioni non è sufficiente:
- dove serve una risoluzione costante su un ampio intervallo di misura (per esempio sensori per impianti biotecnologici dove si passa dai 20-40°C del processo ai 140°C della sterilizzazione)
- dove serve una precisione elevata (per esempio in sensori di conduttività)

In questi casi si usano Pt-100 o Pt-1000

Ciao Boiler
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[9] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 14 set 2020, 12:21

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[10] Re: Calibrazione Operazionali da Strumentazione

Messaggioda Foto Utentedimaios » 14 set 2020, 12:23

Foto UtenteTekonoris, quello che hai illustrato all'inizio è il tipico stadio di ingresso per la misura di precisione di segnali analogici.
E' evidente come tu possa realizzarlo con componenti discreti ma studiando bene la teoria ti accorgerai che non è assolutamente banale giungere a livelli di eccellenza per quanto riguarda :

1. Limitazione del rumore concatenato
2. Alto CMRR
3. Alta impedenza di ingresso
4. Basso offset
5. Ottima linearità
6. Bassa deriva sia dell'offset che del gain
7. Banda elevata

ecc. ecc. ecc.

Gli amplificatori per strumentazione raffinati costano moltissimo ed un motivo c'è. ;-)
Per una misura consistente il problema si pone anche a monte dell'integrato.
Infatti per le prove EMI devi considerare protezioni di ingresso adeguate con correnti di leakage dell'ordine del nA per evitare di corrompere il segnale di ingresso ( si parla di segnali di intensità veramente bassa ).
A parte l'interesse teorico sul circuito ( ottima idea quella di studiarlo a fondo ) devi vederlo contestualizzato in una applicazione.

Per quanto riguarda l'alimentazione singola esistono IC tipo l'AD8223 che funzionano senza alimentazione duale ovviamente devi garantire un offset adeguato e dei limitatori di tensione in ingresso nonchè le protezioni e ricadi nel caso che ti ho illustrato prima.
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