Misurare la resistenza di un filo con un ADC

Sto cercando di progettare un circuito in grado di misurare piccole resistenze fino a 0,1 Ohm e un max. di 10 ohm. Non misurerò resistori reali, ma piuttosto una grande bobina di fili, fino a 500 m (come puoi immaginare, questi fili sono piuttosto spessi).

Ecco il circuito che mi è venuto in mente:

Il circuito funziona mantenendo una corrente costante attraverso il dispositivo in prova, R2. Con una corrente di 100 mA, R2 svilupperebbe una tensione compresa tra 10 mV e 50 mV.

Penso che in un mondo ideale questo funzionerebbe, ma in pratica potrei avere difficoltà a misurare 0,1 Ohm con questo - principalmente a causa dell'ADC. Supponiamo che l'ADC sia a 10 bit con VREF di 5V. Questo si traduce in 5mV per passo. Se R2 = 0,1 e Iout = 100 mA, la tensione presente sull'ADC sarebbe 50 mV - ma non sono sicuro di quanto sarebbe sepolto sotto il rumore.

La mia domanda è, se dovessi aumentare il guadagno a, diciamo, 50. Se il guadagno è 50, allora la tensione presente all'ADC sarebbe 500 mV - ma il max. la resistenza misurabile sarebbe di 1 ohm. Per misurare 10 Ohm, avrei bisogno di abbassare la corrente a 10 mA invece di 100 mA. Un modo per farlo sarebbe usare un FET per spegnere R1 e collegare un resistore da 20 Ohm su Iout.

Non ho bisogno del circuito per misurare con precisione la resistenza - una tolleranza di +/- 10% va bene.

Per favore, non usare un LM324 se vuoi fare misurazioni di precisione.

Il tuo opamp ha un guadagno di 5, ma non lo stai usando: la tua uscita è l'ingresso invertente, dove hai lo stesso segnale del non invertente, quindi è guadagno x 1.

La scelta migliore sarebbe un amplificatore di strumentazione, in cui si collegano le estremità del cavo ai due ingressi. Usa un resistore serie per mettere a terra per creare un offset, perché InAmps non può andare sulle rotaie (almeno i tipi a 3 opamp non possono). È possibile utilizzare quel resistore come resistore di rilevamento per la sorgente corrente:

$V_{IN}$ imposta la corrente della sorgente corrente: 100 mA / V. Supponiamo che la resistenza del cavo sia di 5 Ω, quindi InAmp vedrà una differenza di 500 mV sul suo ingresso. Un guadagno di 10 (la resistenza di guadagno non è mostrata; CircuitLab non ha un simbolo per InAmps) ti darà 5 V in uscita o 1 V / Ω. Modificando è possibile modificare il guadagno totale. Si noti che Q1 potrebbe richiedere un dissipatore di calore, soprattutto se Vcc è piuttosto alto. $V_{IN}$

Se si prevedono resistenze elevate, è possibile creare un divisore di resistenza con 1 resistenza di precisione su Vref e una a terra:

La tensione attraverso il cavo sarà

$V_{CABLE} = \dfrac{R_{CABLE}}{R_{CABLE} + 2 R} V_{REF}$

ma se $R_{CABLE}$ << $2 R$la tensione potrebbe essere troppo bassa per una misurazione accurata. Un valore basso per$R$ aiuta, ma attirerà molta corrente.

L' MCP6N11 ha un'uscita Rail-to-Rail ed esiste in diversi tipi per guadagni diversi, tra cui uno per un guadagno di almeno 100.

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segna i commenti che non abbiamo bisogno di un InAmp, e ha ragione. Ecco la soluzione con un amplificatore differenziale che utilizza un opamp:

Il guadagno è determinato da R1 a R4 e se R1 = R3 e R2 = R4 lo saranno

$G = \dfrac{R2}{R1}$

Un InAmp ti darà più precisione, e non ti costerà un braccio e una gamba, quindi perché no?

Innanzitutto, questa configurazione non consente di ottenere un intervallo di 0 ÷ 5 V sull'ingresso ADC. Semplicemente perché l'LM324 non può oscillare verso la sua rotaia positiva. Introdurrà anche potenziali tensioni di offset che saranno sicuramente in grado di rovinare una misurazione da 10 a 50 mV.

Suggerisco di ottenere un amplificatore di strumentazione o un amplificatore di guadagno selezionabile come l' MCP6G01 . Con un guadagno selezionabile da 1 a 100 sarai in grado di mantenere una certa precisione entro 2 ordini di grandezza (ad esempio da 0,1 a 10 Ohm).

Ok, hai chiesto la mia versione del circuito.

• Questo utilizza una sorgente di corrente opamp + BJT con un intervallo di tre decadi. L'intervallo della sorgente corrente viene selezionato collegando a terra uno dei tre resistori. Probabilmente puoi raggiungere i tuoi obiettivi di precisione usando le uscite AVR per commutare i tre resistori. Commuta tra uscita bassa (per abilitazione) o entrata (per disabilitazione). L'ingresso analogico è migliore, ma la tensione sarà un massimo non ambiguo, quindi l'ingresso digitale è OK. Per una migliore precisione, collegare il 4K al resistore a due pin. La resistenza di uscita di un'uscita digitale AVR è di circa 25 ohm:

  .

• La linea + 5V viene utilizzata per il riferimento sia della sorgente corrente che dell'ADC. Le variazioni della tensione di alimentazione verranno annullate. L'alternativa sarebbe quella di avere un riferimento nella fonte corrente e un riferimento nell'ADC ... non necessario qui. Gli ADC a microcontrollore sono generalmente felici di utilizzare le guide di alimentazione come riferimento.

• È necessario effettuare quattro connessioni al dispositivo in prova. Due dei collegamenti forniscono la corrente e due dei collegamenti presentano la tensione attraverso il dispositivo in prova al circuito di misurazione. Per misurare basse resistenze (<1 ohm) è necessario il collegamento a quattro fili! Altrimenti stai misurando la resistenza della tua sonda per caso.

• La tensione di offset dell'opamp è il parametro più importante. Usa un amplificatore chopper e non preoccuparti. Ho specificato OPA2333, che è un bel amplificatore lento che ha sempre funzionato bene per me.

• Se la resistenza della sonda è superiore a circa un ohm, si dovrebbe optare per l'amplificatore di strumentazione completo. Ma con sonde ragionevoli questo dovrebbe soddisfare le specifiche così come sono.