传感器接口的简单自适应放大器选项

相关：可变条件下用于噪声传感器的高分辨率ADC

我正在使用基于电阻式纺织品的传感器构建接口，该传感器根据环境条件可能具有不同的电阻范围。为了最好地利用我的A / D转换器，我想探索使用自适应放大器，以帮助补偿传感器的不可靠性能。

我在这里有什么选择？还是可以为我指出有关该主题的一些参考资料？

我可以想到两个有用的通用方案：

通过在给定的分析窗口中找到最小值和最大值进行自动校准（约30s-2min）
使用拨动式训练界面进行显式校准
...还有我没有想到的替代方案吗？

一些限制

如果可能的话，应该是单芯片解决方案（小）（例如电容感应芯片）
它应该易于配置和使用（我不是工程师，也没有获得报酬）
附近可能会有一个微控制器

带有惠斯通电桥/分压器，低通滤波器和放大器的全功能芯片会更好。

有关我的特殊设置的更多信息

A / D转换器可以是内置在Atmel芯片（可以是ATtiny85或ATmega32u4）中的转换器，也可以是内置在XBee series 2无线电中的转换器。我以前从未使用过专用的A / D芯片-我不确定这样做是否会有好处。
传感器将是一块Eeonyx掺杂的聚合物导电莱卡。在拉伸30％时，电阻变化约1个数量级。
整个东西将被安装在表演者的手上，因此它必须小巧且坚固。它很有可能是无线的。
精度很重要。该界面将用于不断改变实时音频效果，即不是开关。

sensor interface amplifier

— 阳台
source

您是否可以提供有关当前设置的更多详细信息？即：使用的ADC类型，哪个触摸传感器，哪个触摸控制器。

— tyblu 2011年

您期望从环境变化中获得多大的变化？

— jpc 2011年

您需要哪种位分辨率？我之所以问是因为，我认为将ADC的规格增加4位（x16）并在软件中进行自适应会更简单。这应该足以捕获单个数量级的变化。当然，如果您已经需要16或20位的分辨率，那将是非常昂贵的。

— anthony137 2011年

@ anthony137这是一个有趣的想法。我一直在考虑10位转换器，因为这通常是微控制器内置的，但是我将介绍高解析度转换器。

— 露台

@jpc我必须测试。我想要一个可以适应各种未知条件的系统，但是我可以得到一些基本数字。

— 露台

Answers:

这是基本思想：

传感器

V1是经过滤波的PWM输出，R2是您的传感器。U1是电压到电流转换器，通过负载R1的电流为I = V1 / R2。这意味着R1两端的电压取决于两个输入。U2和U3是增益为10的仪表放大器，可放大R1两端的电压。

在R1 = 100 Ohms和V1 = 0..5V的情况下，电路在R2 = 50..5000的情况下工作，例如，跨越两个数量级，这从您的说法中就足够了。

您要做的是取出并将其与参考电压进行比较（对于最大动态范围，此处应使用4V电压），并对V1进行逐次逼近，以使输出电压尽可能接近参考电压。现在，根据V1和R1上的已知压降（例如参考电压），您可以计算传感器R2的值。当然，这只会在PWM的分辨率内获得结果，但是您可以使用第二个仪表放大器来放大误差（输出电压与参考电压之间的差），以使其达到微控制器ADC的范围，这将为您带来更多的收益。的决议。

您需要两个运算放大器（U1和比较器）和两个仪表放大器。使用真实的电阻而不是使用运算放大器，因为电阻和运算放大器的不精确性会引入误差。

如果两个数量级还不够，则可以用数字电位计代替R1，以获得另一个自由度。我从未与他人合作过，所以我不知道它们的精确度以及这种解决方案是否需要校准。

另外，我应该提到的是jpc提出了这个想法。

更新：

好的，我必须同意OP的观点，这实际上不是他的问题的答案（尽管它从技术上解决了问题）。我允许自己被标题中的“自适应放大器”所吸引，以此作为进行模拟设计的借口。除非您想了解有关运放的知识（一点点），否则请忘记上面写的所有内容。我希望这是更好的答案和更简单的解决方案：

使用由稳压器供电的电阻分压器（将其与其他电路的噪声分开），将上电阻器设置为传感器可以具有的最大电阻（Rmax），将下电阻器作为传感器。

将ADC的参考电压设置为稳压器输出的一半。

然后，使用ADC采样传感器上的电压。这样，每个传感器只需要一个单端通道。我在另一篇文章中提出了ADC建议。

但是，如果使用您提到的微控制器中集成的10位ADC，则不会获得很大的动态范围。使用模拟电路来扩大范围，就像我最初发布的那样，会增加太多额外的部件，这就是为什么我建议仅使用一些24位ADC（例如我在另一篇文章中建议的ADS1256）的原因，因为它将为您提供低噪声和高动态范围，在单个芯片上（加上很小的基准电压源，也可以很小的稳压器-您也可以尝试将稳压器放在外面，直接从基准电压为电阻分压器供电-这会使您失去1位分辨率，但是无论如何，它们中有很多）。您将需要进行一些数字运算（“通过在给定的分析窗口中找到最小值和最大值进行自动校准”是一个好主意），

我希望这会有用。

更新2：

这是最后一个：我浏览了TI的MSP430微控制器，发现其中一些具有内部基准的16位sigma-delta ADC。即MSP430F2003和MSP430F20013。如果您愿意放弃Atmels，那将是您的单芯片解决方案。功率也很低。他们有24个ADC的排队微控制器，但尚未投入生产。除了赛普拉斯的PSoC微控制器，还有20位sigma-delta ADC（PSoC 3和PSoC 5系列），也有参考。这些会更好。

— 雅罗斯拉夫·芒特（Jaroslav Cmunt）
source

@Jaroslav我不确定我是否理解。在电压到电流转换器中，V1通常来自传感器-在这种情况下，由于R2是传感器，所以U1的作用是什么？U3和U2有什么用途？它们是仪表放大器吗？他们的前途是什么？最后，您要说一些有关测量R1两端的压降的信息。如何测量此滴，为什么需要它？最后，您打算使用哪种校准方案（请参阅我在帖子中介绍的两个选项）？谢谢！

— 露台

@Jaroslav啊，我认为您对错误的帖子做出了回应。看到这里：electronics.stackexchange.com/questions/11978/…–

— 露台

感谢您的感谢，但老实说，我在想些简单的事情。:)我想您在这里不是真的使用ADC吗？

— 2011年

@jpc的确，3个运算放大器无论如何都将占用两个空间（8通道，手腕安装）

— 露台

@jpc您的解决方案并没有真正增加动态范围。模拟或测量以找出原因。同样，由于基极-二极管，它在最初的0.6V左右具有非线性。

— Jaroslav Cmunt 2011年

如果传感器电阻的变化很大（> 50％），则可以使用分压电路代替（更复杂的）惠斯通电桥。然后，您可以通过改变电源电压轻松地提高动态范围。

可以通过微控制器中的PWM以及RC滤波器和压控电流源轻松调节电源电压。

这是我的想法的粗略示意图：

原理图（摘自Tocrat R. Kuphaldt撰写的Socratic Electronics）

然后，将滤波后的PWM电压连接到运算放大器的同相（+）输入。

对于快速多路复用，您可以制作两个这样的电流源。如果将所有偶数传感器连接到一个，而将奇数传感器连接到另一个，则可以在ADC仍在采样时更改下一个传感器的电压。

您应为ADC使用精密基准电压源。您还可以通过使用软件中的移动平均滤波器来获得1或2位。

PS。我要感谢Jaroslav Cmunt对这个答案的巨大改进。

— 杰普
source

你看过这个网站吗？

有很多可穿戴电子设备的示例，包括一些采用Eeonyx面料的电子设备。该站点提供了感应电路的示例（ardunio和xbee）。

您不需要很多组件来构建惠斯通电桥，并且最好的情况是将1个感应电路多路复用到8个传感器，您仍然可以很容易地每秒获得100个采样，或者每个输入都非常容易。使用织物PCB（再次检查上面的站点）创建桥。或仅将传感器导线伸到手套上，然后将所有传感电子设备放在皮带安装的包装中。我见过的大多数织物“传感器”都具有较高的电阻，皮带单元和手套之间的导线所带的0.1欧姆无关紧要。

在每只手套上放置一个温度传感器，并根据需要使用结果在软件中进行校正以适应环境变化。也许在每次使用前都要对手套进行校准，但视口译员的智慧而定，可能不需要。

我假设Xbee模块会传输到计算机，并在计算机中建立校准功能，实际上是在计算机上进行尽可能多的处理，例如温度校正。

如果仅使用神经网络将传感器输入转换为动作，则可获得加分。这将使培训变得容易，并适应不同人的手势。

— 标记
source