Rumore indotto

Un bel giorno Marco Trapanese digitò:

Sì, era quello a cui pensavo.

Cerca nella famiglia BNX, ci sono cose sfiziosissime. In particolare questo è taumaturgico:

?&nbsp&sNHinnm=BNX024H01&sNhin_key=BNX024H01&sLang=en&sParam=bnx024h01

Però è praticamente irreperibile. Una versione pin-to-pin, peggiore ma più facilmente reperibile:

?&nbsp&sNHinnm=BNX022-01&sNhin_key=BNX022-01&sLang=en&sParam=BNX022-01

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emboliaschizoide.splinder.com

Beh, in alcuni casi, si possono fare ponti attivi con due opamp, senza bisogno dell'INA (con qualche altro vantaggio, tra l'altro) :-p

Dunque, la configurazione scelta dipende sempre dalle specifiche che si vogliono ottenere (specialmente risoluzione - per un certo tempo di misura - e accuratezza) e quindi dare indicazioni generali è sempre un po' rischioso. Però:

- La misurazione raziometrica è comunque da preferire per la sua immunità alle derive del riferimento.

- Nel caso del mezzo ponte (p.es. con due sensori uguali sottoposti a stimoli opposti), la tensione di uscita è

v = Vref/2 + Vref/2*x

dove x è la variazione relativa della resistenza dei trasduttori. Quel termine additivo Vref/2 ha due conseguenze: i) ti costringe a buttar via un po' di bit del convertitore e ii) aggiunge al segnale di misura il rumore dell'alimentazione (che non viene cancellato dalla misurazione raziometrica). I riferimenti di tensione integrati hanno, in genere, un rumore di tensione piuttosto elevato, dell'ordine dei (500-1000) nV/sqrt(Hz), tipicamente molto peggiore di quello del front-end del convertitore. Rispetto a una misurazione fatta con ponte completo, in cui tale rumore si cancella quasi completamente, a parità di tempo di misura, ottieni una risoluzione peggiore. Questo è uno dei motivi per cui preferisco di gran lunga il ponte completo. Nel tuo caso specifico, la soluzione da te scelta non è ottimale, ma potrebbe benissimo essere sufficiente per l'applicazione.

- Infine, se - per il primo stadio - avessi veramente problemi di rumore flicker (limita la miglior risoluzione ottenibile) o di offset e derive (limitano l'accuratezza), cercherei di utilizzare amplificatori ad azzeramento automatico o, addirittura, un ponte alimentato in alternata seguito da un lock-in (p.es. guarda la figura 27 dell'AN43 della Linear).

Nella mia esperienza, però, la cosa più difficile non è il progetto, ma definire (o l'ottenere dal cliente) delle specifiche sensate e compatibili col costo previsto! E le soluzioni possibili possono differire di ordini di grandezza per costi e specifiche ottenibili!

Massimo Ortolano:

Scusa, non ho specificato. Il tempo di acquisizione non è critico, 200 ms (non ho trovato in commercio nulla di più lento) vanno più che bene.

L'accuratezza (nel senso di ripetibilità) è il requisito più importante, la risoluzione... più ce n'è, meglio è. Ma diciamo che 16 bit (10kg su 50 tonnellate) son più che buoni.

Non è il mio caso. Uno è solo di compensazione termica.

x o 2x?

Non ci speravo. In effetti, per le mie scarse conoscenze, il rumore è una cosa che si somma o moltiplica sempre.

Quale rumore? Quello del riferimento o del front-end? Usando come riferimento un partitore resistivo, non si ottiene un "effetto raziometrico"? E' chiaro che poi ti entra anche il rumore dell'alimentazione, ma, scusa l'ingenuità della domanda, un po' di condensatori non aiutano?

Tornando alla mia domanda iniziale, conviene quindi completare il ponte con resistenze "costose"?

Lo avevo fatto per un amplificatore per celle di carico, usando lo AD8552

L'ho consumato... ;-)

Già. Purtroppo questa era un'applicazione del tutto sperimentale, basso budget per i materiali e zero per il lavoro, ma forse potrebbe avere altre applicazioni...

L'accuratezza e la ripetibilità sono due cose differenti: puoi avere ripetibilità senza avere accuratezza (ma non il viceversa).

Scrivo meglio:

v = Vref/2+(Vref/2)*x

ma nel tuo caso, con un solo sensore attivo, avresti

v ~= Vref/2+(Vref/4)*x

Nel ponte completo si riesce cancellare quasi completamente il rumore della tensione di riferimento Vref. Nel mezzo ponte no, e la misura raziometrica non può far nulla per questo. Facciamo un conticino d'esempio con i dati delle celle di carico che avevi utilizzato una volta, quelle della Omegadyne; adattalo poi alla sensibilità effettiva del sistema albero più estensimetri.

Con un tempo di integrazione di T=200 ms e un rumore di 0.5 µV/sqrt(Hz) la miglior risoluzione di tensione ottenibile è 0.5 µV/sqrt(Hz)/sqrt(2*0.2s) = 0.8 µV.

La sensibilità della cella è 9.4 mV/45000 kgf = 2.1e-7 V/kgf (poi, andrò a confessarmi per aver usato i kgf :-) ) La risoluzione che hai sulla forza è allora 0.8/2.1e-7 kgf = 4 kgf. Come vedi, con questi dati, nei 10 kg richiesti ci staresti giusto giusto. Se poi dovessi ridurre il tempo di integrazione a 2 ms arriveresti a 40 kgf.

Se con il mezzo ponte riesci a stare nelle specifiche no, altrimenti sicuramente sì!

Massimo Ortolano:

Mi accontento della sola ripetibilità, tanto ai velisti serve solo sapere se la tensione delle sartie (che si scarica come compressione dell'albero) sia quella ottimale: le sartie sono fatte di un qualche materiale che tende ad allungarsi indefinitamente (prima, chiaramente, di strapparsi) e devono ritensionarle relativamente spesso.

Purtroppo era già abbastanza chiaro. Solo implicava che

, cosa che non mi piace per nulla. ;-)

Quindi anche se essa è un po' rumorosa ci si mette una pezza.

Questo mi era chiaro. La sorpresa, per me, è stata che il ponte possa diminuire il rumore della Vref.

A me Newton sta antipatico. Tifavo per Leibniz.

Molto chiaro. Grazie.

Ok, perfetto. Tanto a me quell'A/D con tutti quei pin passo 0,5 mm mi stava sull'anima... Molto meglio quello di TI.

So so, sono stato un velista :-)

Da un lato hai v1 = (Vref+vn)/2+(Vref+vn)*x/4, dall'altro hai (Vref+vn)/2: se fai la differenza ottieni

v1-v2 = Vref*(x+vn/Vref*x)/4

e la parte additiva si cancella (in realtà viene attenuata del CMRR dell'INA). La parte moltiplicativa ha poco effetto se lavori con x