我所遇到的AD测电压问题

只看该作者 · 2010-3-18 10:51

我用LPC2103自带的10位AD采样外部0-24V（电池电压充满可达到27V）电压，要求准确度在0.03V左右。

初步方案：
用2个1%精度电阻分压，用33K和3K电阻分压，基准源用CPU自带的3.3V，这样当电压为36V（大于电池满量程的一个电压值，确保电池电压不会超过这个数值）时，对应基准的3.3V。
初步计算：3.3V/1024 * (33K/3K + 1) = 0.0387V
误差：电阻有1%误差，基准源是3.3没有基准芯片
温漂
电压表测量的误差

测试结果：
测量手头上的一块24V电池，偏差有点大，经过测量发现基准不是准确的3.3V，而是3.28v，调整程序里面的基准参数，测量结果偏差在满意的0.03V范围之内。
问题：
我手上只有一块电池，到现场有N块电池，测量发现偏差在0.1V左右。基准也随着电池更换随之发生微弱变化。所以发现我没有增加补偿的算法。

准备改版。

只看该作者 · 2010-3-18 11:04

改进方案一：
将测量范围缩小至30V，分压电阻换成22k和2K.
基准源采用独立基准2.5V，型号LM385-2.5，偏差：2.425 2.5 2.575 现在看来误差比较大。

2.5/1024 * （22/2 + 1）
= 0.0024V * 12
= 0.029v(先乘后除也是这个结果)

这个是理论的最小分辨率
但是加之电阻1%偏差，温漂和基准的偏差，误差又不小。
实际结果如何，等待傍晚或者明天测试。

估算可能的出路就是换成12位AD。但手目前成本的制约。
另外要做反接保护，如果用二极管会分压，请大家对我上面的做法多多提意见

只看该作者 · 2010-3-18 11:38

需要有校准工具

我们现在方法是把你的2K小电阻变成可调电阻

借住外部校准工具调整可调电阻，使示值符合要求，

调整程序参数的方法不好，批量基准有误差；通过调整可变电阻的方法可以弥补

只看该作者 · 2010-3-18 14:03

请教三楼：
1、“2K小电阻变成可调电阻”这个实际上是校准电阻1%的偏差，能通过这个电阻弥补基准的偏差吗。
2、基准源不准怎么处理？
3、软件不需要补偿算法吗？

只看该作者 · 2010-3-18 16:41

做不到的。 1‰的分辨率用 10位的ADC做

除非你的精度只要1%。否则做好很难。

只看该作者 · 2010-3-18 16:58

本帖最后由我是土匪于 2010-3-18 17:06 编辑

我在现有条件下如何把精度做的做高，效果最好？
现有的条件下能到到多少的精度。

12位AD心里才有底。

emailli，
我看过您有一篇相关的帖子，您能给我点建议吗？

比如基准源要精准点，AD换成12位，还有没有必要软件补偿（怎么补偿），滑动变阻硬件标定？

只看该作者 · 2010-3-19 00:06

改进方案2：
鉴于目前到实现1/1000的精度（30V测量到3V），10位AD仅仅存于理论中。
所以有打算换成12位AD，如果测量30V用2.5V基准，22K和2K分压，那么精度计算理论数值为：
2.5/4096 * 12 = 0.0073V,找个基准，算上电阻误差和温飘以及环境影响等因素0.03的分辨率还是差不多的。

这样做主要考虑2点：
1、用最廉价的方案选择芯片，有知道的朋友帮忙推荐AD和基准
2、假如我的万用表精度够，可否用在电路增设可调电阻，之后万用表来矫正基准
3、还有必要软件校正吗？如何矫正？我总觉得软件矫正操作起来要繁琐于硬件矫正。

请高手指点。

只看该作者 · 2010-3-19 08:58

首先说一点：板子的供电电源是什么样的？如果是开关型直流稳压电源，工作时地线的纹波多大？
如果采用电池供电应该没这个问题。

只看该作者 · 2010-3-19 09:21

千分之一的精度。开关电源做到问题不大的。

问题在于：楼主公司似乎对这个不太重视，之前公司不是做这一块开发的。

没有必要的标定工具。很难做到千分之一的啊。

基准用LM285-2.5的即可。注意用TI的25ppm的产品。便宜，零售好像也就5RMB左右吧。

另外，你这个如果用普通的12位AD的话，外部还需要射随电路。射随电路自己搭建的话，会带来一些难度很高的处理。

射随电路会带来温漂等。

如果采用内部集成PGA的AD芯片。就不用过多的做考虑了。

所以我个人一直觉得，低成本的，千分之一精度左右的，对转换速度没有要求的 ADC方案应该是这样的：

LM285-2.5TI + CS1160(16位AD，片内带PGA) + 单片机

这个方案有几个好处

1、同等级下成本低。CS1160是国产芯片。价格低。零售才7元左右。

2、基准25ppm还是很有优势的。也不贵。

3、外围电路少，降低对设计的要求

4、最后要注意布线模数分开

另外对于模数分开多说一句诀窍：

注意模拟地和数字地在大滤波电容处单点汇合。同时模拟电源和数字电源也在该滤波电容处单点汇合。

会有意想不到的好处的！

比起随意找一个地方模数分离，该方案可以让原本4-5个AD码跳动的方案，变成 1-2个AD码跳动！

这个可是我以前在公司花了一年时间才最后验证得到的一个结果！

应该属于无私奉献了！

只看该作者 · 2010-3-19 09:22

做千分之一精度的AD转换

少不了一套精确的参考信号源和一个精确的测量信号仪器来校准，测试！

否则都是空谈。

只看该作者 · 2010-3-19 10:02

非常感谢emailli的无私奉献！

推荐的芯片也很符合我的需求，道理讲得也很清楚，还有秘籍赠送，感激不尽，我会将最新结果贴出来。

您说的校准，是硬件校准（可调电阻）还是软件校准？

只看该作者 · 2010-3-19 10:07

考虑精度的话还是建议12位AD；批量生产时2.5V外部基准确实很难保证。

刚才我仔细分析了一下，因为我以前也做过电压采集的，但是以前没有这么仔细考虑过。

使用12位AD，外部2.5V基准。考虑基准芯片个体差异，所以实际基准可能在2.45~2.5V。

2.50/4096=0.000610; 理论数值：程序中按照2.5的基准进行计算
2.45/4096=0.000598; 可能的实际数值：这2个数字相差大约0.00001

假设测量范围为30V

如果实际进行AD采集转换的电压为2.0V(分压为1/15)，
实际与理论的误差在(2.0/2.5)*4096*0.00001=0.0328(不考虑电阻本身带来的误差)

如果误差精度控制在0.03V，则最大AD输入在1.83V(分压比1.83/30=1/16.4)以内。
所以分压比最好小于1/16.4(比如1/18等等都可以，电阻带来的误差考虑在内)

LZ可以使用1/18的分压比和使用可调电阻分别进行实验，

个人感觉想达到0.03V精度的话，使用1%精度的话1/18左右的分压都是可行的，而且手头上的电阻可能那么恰好在1/18的，

但是在范围内就可以。LZ可以参考下，同时欢迎批评指正。

只看该作者 · 2010-3-19 11:32

12楼。就是因为基准芯片有差异，所以才要校准的。何止基准芯片有差异，电阻啊，AD芯片啊等都有差异啊！这些都是通过校准来消除其差异的。

基准源有差异不可怕，可怕的是基准源有变化！变化无法校准！但是差异可以通过软件校准来实现！

12楼的考虑比较理论化，和实际操作相差太远！

校准是硬件+软件校准！

方案是这样的：

先输入0V，然后读取AD码保存

然后输入30V，然后读取AD码保存

这个就完成了校准的过程。

这个要求你的电路处理能够将0-30V的电压对应的AD码够线性即可！

就算你做不到全程线性，也没有关系！

你可以多校准几个点。做分段线性处理即可！

既然知道了是通过线性解决。

那么你如果得到一个AD码，要换算成电压。只需要做一个线性转换即可！

这个数学处理稍微自己计算一下就知道怎么做了！

只看该作者 · 2010-3-19 11:36

要做好千分之一精度的电压采集。

最最重要的就是稳定性

不一致不可怕，可怕的是不稳定

你今天读取这个电压得到的AD码是 200

明天读取该AD码是 250

那么，你最终做出来的东西就是 “250”，而不是产品

所以，用低温漂的基准就尤其重要

当然，少用外围电路，减少带来变化的器件，还有一些恒温等其他高级手段都可以用上

不过以我的经验，在千分之一这个级别

用低温漂的器件+少用外围电路+合理的布线+合理的ADC器件已经刻做到了

做这个，上海pengjianxue比我更有经验！

只是他是个忙人！回的相对少一点！

我已经不做这个行业了。所以说出来无所谓了！呵呵！

只看该作者 · 2010-3-19 11:53

本帖最后由我是土匪于 2010-3-19 11:55 编辑

12楼，我认为误差是这样的：
如果基准是2.45-2.55V,分压1：14.

当被测电压为30V，分压点位2V（不考虑电阻误差），基准无误差，最小分辨率：2/4096 * 2.5 * 15 = 0.0183V
当被测电压为30V,分压点位2V（不考虑电阻误差），基准有误差，最小分辨率：2/4096 * 2.45 * 15 = 0.0179V

两者偏差： 0.000366V

如果考虑进电阻1%误差：
分压点电压理论2V，最大最小1.963V，最大2.0367V。
单单考虑电阻的误差

2.5/1024 * 15 - 2.5/1024 * (13860/1010 + 1) = 0.00068V

将AD基准和电阻误差叠加的最大误差：
2.55/1024 * (13860/1010 + 1) = 0.03666V
2.55/1024 * (13860/990 + 1) = 0.03725V
2.55/1024 * (14140/1010 + 1) = 0.03735V
2.55/1024 * (14140/990 + 1) = 0.03806V

正常误差值：2.5/1024 * 15 = 0.0366V

误差在考虑电阻1%精度和基准0.05偏差的情况下，AD结果偏差0.002以内，这样来说远小于0.03（我的要求）。如此推算不是12位AD就可以了吗

当然这个是理想化

只看该作者 · 2010-3-19 11:59

13楼，之前我初步测量，测不同的电压，基准有微小变化，这个可以说测量仪器的误差，也可能其他原因，当时在现场很晕，只好说电池阻抗不同。

关于软件的线性补偿，分段也好，直接补偿也好，这个需要把系数保存到FLASH，在一个没有输入设备的系统里，标定系数需要改变程序的参数，只能重新下载代码啊？

关于硬件补偿，只能用一个可调电阻，但是要求测量仪器的精度很高，也增加了工人操作复杂度。