Входной каскад АЦП, для измерения переменного напряжения

[Yahont7]

Здравствуйте коллеги, друзья и единомышленики.
Вообще моя специфика это электротехника и электрооборудование. Поскольку нередко приходится проектировать и изготовлять различные щиты, управления различного электрооборудования, то есть необходимость в различных контроллерах, которые бы измеряя параметры сети предпринимали те или иные функциональные процедуры. Да сегодня существую различные ПЛК, и прочие устройства под дин рейку на которых можно реализовать все, что угодно. Но к сожалению, либо, они дороги, либо недоступнн. Кроме того вообще ПЛК умеющих "из коробки" измерять сетевое напряжение по всем фазам (не говоря про ток)  в природе пока не встречал. Поэтому к ПЛК, приходится покупать т.н. датчики или измерители сетевых параметров, стоимость которых сопоставима с ПЛК, к тому же растет габарит щита где все это будет стоять. Так или иначе я решил научится делать хотябы простейшие контроллеры, с обычной прошивкой, которые бы могли реализовать все мои предпочтения. 
Выбрав МК STM32, подобрав схемотехнику внешних интерфейсов и исполнительных устройств.
Пока, я остановился перед выбором каким образом измерять, сетевое напряжение переменного тока. На первый взгляд почти, все производители реле напряжений используют вот такую схему:
 
Но мнению специалистов, эта схема плоха наличия невысокого внутреннего сопротивления самого АЦП микроконтроллера.
Поэтому рекомендуют добавить ОУ в режиме буфера:

В обоих схемах, измеряемый сигнал смещают на половину питающего/опорного напряжения, в результате теряется один бит точности АЦП.
Поиск в интернете, навел на следующие материалы:
1. Диапазон преобразования АЦП микроконтроллера можно расширить вдвое без потери точности. В схеме используются два однопериодных выпрямителя на ОУ, соответственно необходимо два входа АЦП. Соответственно хочется схема по лучше.

2. Двухполупериодный активный выпрямитель без диодов. Все прекрасно и просто, но рекомендуется использовать дорогой и труднодоступный ОУ. Простые и дешевые ОУ типа МСP6002/4, при моделировании этой, схемы (в Multisim) ее работоспособность не подтвердили. Я был не один, кто хотел ее реализовать, у котов на форуме есть обсуждение этой схемы, но там тоже судя по всему тоже успехов не достигли. Поэтому я продолжил поиск и попал на третий вариант, это...
3. Учебный материал - Прецизионные выпрямители. Предложенная схема в идеальных условиях (когда на вход подключен генератор сигналов) показала работоспособность в среде Multisim. Однако когда я дочертил высоковольтный делитель, и подал высокое напряжение, то на выходе получил также модуль синусоиды, но его амплитуда была снижена на 35-40%, от того кот. был на выходе резист делителя. В итоге в эту схему я добавил буферный каскад ОУю В итоге, схема обрела следующий вид:

В этот раз моделирование уже подтвердило ожидаемые результаты:
- на выходе имеем, модуль синусоиды, причем с той же амплитудой, которая имеется на входном резистивном делителе.
- если подать напряжение превышающее номинал резист делителя, то на входе МК оно будет срезанным на уровне 3вольт.
- теперь можно использовать все 12бит АЦП, для оцифровки
Но получилась схема какая-то громоздкая на один канал напряжения.
Можно ли ее упростить, и есть ли более простые схемы решающие данную проблему??
 

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[snn_krs]

В счетчиках используются специализированные МС. Я пробовал ADE7758 - 6 АЦП 24 бит, 3 на ток и 3 на напряжения. Выдает все что угодно.

Для обработки использовал STM32F030, для моих целей вполне хватало.

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[BARS_]

12 часов назад, Yahont7 сказал:

Выбрав МК STM32, подобрав схемотехнику внешних интерфейсов и исполнительных устройств.

Нафига, если есть спец микрухи? И входные цепи у них выглядят примерно так

По току

Они есть и однофазные. Причем МК можно применить самый дешманский, т.к. всю работу выполняет микруха.

Если же так хочется делать цифровку именно на МК, то вход должен быть гальванически отвязан от сети. Иначе отладка может стать довольно занимательной и искрящей. В принципе, это касается и спец микрух. Только развязку ставят на цифровые линии.

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[Yahont7]

37 минут назад, snn_krs сказал:

В счетчиках используются специализированные МС. Я пробовал ADE7758 - 6 АЦП 24 бит, 3 на ток и 3 на напряжения. Выдает все что угодно.

Знакомая микросхема, я ее встречал когда ремонтировал устройство АВР, от портофранко, они использовали две такие микросхема для измерения напряжений (по одной на каждый ввод). Также изучал даташит к ним, с одной стороны все классно, удобно подключить, высокая точность измерений 24бита, причем оцифровка ведется на частоте 4кГц, с точностью там все в порядке. Короче Analog Device, хорошу микросхему предлагают, но в этой бочке с медом аж две ложки дегтя, одна столовая другая чайная. Во-первых цена такой микросхемы весьма велика чтото окогло 12 долл., с другой стороны доступность также проблематична. На Украине их можно купить только в одном магазине, и то в Харькове. 
Во-вторых, я хочу чтобы МК мерял именно мгновенное значение напряжения, для анализа аварийных режимов в реалтайме, во вторых для регистрации мгновенных напряжений на карту памяти, для возможности оффлайн анализа.

Тоже задумываюсь о использовании STM32F030 или более современного аналога от STM, для непосредственной оцифровки данных, с последующей передачей по SPI, на главный МК.

Поэтому хочется разработать простую схему измерения напряжений, но с максимальной точностью для МК типа STM.

Тема использования внешних АЦП для измерения, тоже стоит рассмотрения, но при условии, минимизации цены этих устройств, а то больно они дороги. 

Изменено 29 марта, 2021 пользователем Yahont7

[BARS_]

52 минуты назад, snn_krs сказал:

Для обработки

Да там и обработки по сути нет. Просто запомнить значения нуля по каждому каналу, а дальше простейшая арифметика.

[Yahont7]

Только что, BARS_ сказал:

Нафига, если есть спец микрухи? И входные цепи у них выглядят примерно так

Низкая доступность и высокая цена - первый ограничивающий фактор использование подобных микросхем.
Невозможность получать данные "в сыром виде" в виде мгновенных значений, с возможность регулировать частоту дискретизации - есть второй фактор ограничивающий применение решений типа ADE7758.
 

 

[BARS_]

7 минут назад, Yahont7 сказал:

Во-вторых, я хочу чтобы МК мерял именно мгновенное значение напряжения, для анализа аварийных режимов в реалтайме,

Так микруха и это умеет. А еще умеет выводы IRQ шевелить по заданным событиям.

 

8 минут назад, Yahont7 сказал:

Тоже задумываюсь о использовании STM32F030 или более современного аналога от STM, для непосредственной оцифровки данных, с последующей передачей по SPI, на главный МК.

Т.к. частота сети всего 50Гц, то можно успеть и оцифровать, и на карту сохранить и кофе попить. Одного МК там с головой. Тем более АЦП работает через DMA. Т.е. заводим два буфера, один накопили, переключили на второй. Пока второй набираем, обрабатываем первый.

 

11 минут назад, Yahont7 сказал:

а то больно они дороги. 

Но намного дешевле готовых девайсов.

 

4 минуты назад, Yahont7 сказал:

Невозможность получать данные "в сыром виде"

Можно вообще получить данные в виде сырых данных оцифровки, насколько я помню. Ну да ладно. По поводу организации входных цепей. Логичнее всего поставить готовый датчик напряжения, той же фирмы LEM. Питание +/-15В, на выходе переменка. Ее достаточно привести к желаемому уровню и сместить по напряжению.

[Yahont7]

Только что, BARS_ сказал:

Так микруха и это умеет. А еще умеет выводы IRQ шевелить по заданным событиям.

В описании регистров на стр. 60 нет параметров тока и напряжения мгновенного значения, только RMS.
Микруха действительно хороша, особенно для счетчиков, но надо мерить и реагировать на мгновенные величины, на три канала по напряжению, на четыре по току с частотой дискретизации до 10кГц (если идет речь о регистрации данных, полной или частичной).
Микруха эта стоит столько скольо все остальное железо вместе взятое (для среднего гаджета на 2-3 дин места), это не приемлемо. 
потому стоит зачала из простых и доступных компонентов создать схемотехнику, измерения, регистрации и реагирования на происходящее в сети.
Я еще забыл упомянуть о том что есть планы, реализации гармонического анализа до 40-64гарм. Так что надо искать пути в плане схемотехники попроще.

Точность АЦП в 12бит, как по мне способна реализовать измерения параметров промышленной сети на уровне 1% точности (при хорошей схемотехники драйвера АЦП). Во многих сферах приложений этого достаточно, если же использовать внешний АЦП разрядностью 14-16бит можно достичь точность измерений на порядок выше до 0,1%. Использовать АЦП в 24бита уже избыточно, и безполезно ибо класс точнсоти резисторов в  делителях более 0,1%, я не встречал (точнее говоря есть прецизионные резист. более высокого класса, но это труднодоступная и дорогая тема).

Потому для меня вопрос, реализации схемы драйвера АЦП, актуальна.

PS: Для измерений с точностью 14бит, можно использовать МК EFM8LB1 (от Silicon Labs) пример реализации точного вольтметра там же. Но пока нет желаний изучать детали программирования и его, довольно мне STM32 изучать.

[BARS_]

1 минуту назад, Yahont7 сказал:

Точность АЦП в 12бит, как по мне способна реализовать измерения параметров промышленной сети на уровне 1% точности

Ну так ставить датчики напряжения и не морочить голову. Выход у него токовый, амплитуда задается сопротивлением нагрузочного резистора. Плюс сразу получаем гальваноразвязку от сети. Если по размерам не подходят, то можно взять ОУ с развязкой. Но они, как правило, дороже.

 

3 минуты назад, Yahont7 сказал:

STM32

Огромный плюс STM32 в наличии возможности набирать буфер отсчетов АЦП в фоне, без участия ядра МК. А та же G серия умеет еще и сразу простенькую арифметику при этом производить. Плюс имеет блоки цифровых фильтров. 

[Yahont7]

7 минут назад, BARS_ сказал:

Ну так ставить датчики напряжения и не морочить голову. Выход у него токовый, амплитуда задается сопротивлением нагрузочного резистора. Плюс сразу получаем гальваноразвязку от сети. Если по размерам не подходят, то можно взять ОУ с развязкой. Но они, как правило, дороже.

 

Огромный плюс STM32 в наличии возможности набирать буфер отсчетов АЦП в фоне, без участия ядра МК. А та же G серия умеет еще и сразу простенькую арифметику при этом производить. Плюс имеет блоки цифровых фильтров. 

Не знаю таких датчиков. Если опираться на последнюю схему драйвера указанную в первом посту. То, можно все три фазы мониторить одним МК непосредственно. Следующим образом.

Громоздко однако, хотелось бы по компактнее. А вот ток мониторить по трем фазам уже надо раздельно, хотя если использовать измерительные трансформаторы тока на плату, то можно одним МК мерить все напряжения по-фазно вместе с токами. 

Изменено 29 марта, 2021 пользователем Yahont7

[BARS_]

1 минуту назад, Yahont7 сказал:

Не знаю таких датчиков.

Фирма LEM.

 

1 минуту назад, Yahont7 сказал:

можно все три фазы мониторить одним МК непосредственно

Пока не отвалится нейтраль. Опять же, схема гальванически связана с сетью, т.е. программатор уже не ткнешь в нее. Плюс, иногда, измеряют напряжения между фазами без нейтрали.

 

4 минуты назад, Yahont7 сказал:

Громоздко однако,

Не особо, 3 микрухи в SOIC корпусах и горсть SMD резисторов.

[Yahont7]

Только что, BARS_ сказал:

Фирма LEM.

Знаю такую контору, это продукты класса премиум, они дороги и очень труднодоступны, в Украине ни один магазин такое не продает, даже самые крупные. В схеме ИБП Riello SDL 3300 видел в цепях измерения тока, конкретно, это LAH 50-P, которые можно купить на диджикеи, 23 доллара за штуку! Но этот датчик может мерять высокочастотные токи, в цепях инверторов и приводе они необходимы.

 

Только что, BARS_ сказал:

Пока не отвалится нейтраль. Опять же, схема гальванически связана с сетью, т.е. программатор уже не ткнешь в нее. Плюс, иногда, измеряют напряжения между фазами без нейтрали.

Да я конечно же это учитываю. Может и монтажник перепутать клеммы, и N подать фазу..
Для отладки системы в целом, можно пойти на хитрость - использовать трехфазный тр-р, или тройки мелких однофазных, на каждом из них подмотать пару витков провода поверх обмоток, потом конца их подать прямо в схему на выход резистивного делителя, а первичное напряжение плавно регулировать ЛАТРОм. Для отладки ПО МК пойдет и так, без искр и огня. Если же придется подключать свой гаджет, к сети RS485 и/или Ethernet, тогда внутри схемы надо применять драйверы этих интерфейсов на опто развязке.Для этого надо делать БП гаджета на изолированном обратноходе с питанием от линейного напряжения (тогда не страшно отвал нейтрали). Есть у меня уже одна идейка на этот счет, но это уже другая тема для обсуждения может создам ее отдельно в другой ветки форума.  

5 минут назад, BARS_ сказал:

Не особо, 3 микрухи в SOIC корпусах и горсть SMD резисторов.

Значит можно смело реализовать эту идею в железе?

[BARS_]

Только что, Yahont7 сказал:

они дороги и очень труднодоступны

Ну не знаю, у нас в том же чипдип свободно продаются. Серия LV стоит в районе 2000р.

 

1 минуту назад, Yahont7 сказал:

драйверы этих интерфейсов на опто развязке

Опторазвязка - прошлый век. Смотреть надо в сторону Si86xx и аналогичных. Для RS вообще есть драйвера со встроенной развязкой.

 

3 минуты назад, Yahont7 сказал:

тогда не страшно отвал нейтрали

А как питание повлияет на нейтраль?

 

4 минуты назад, Yahont7 сказал:

можно смело реализовать эту идею в железе?

Как минимум проверить в виде макета. Только резисторы входного делителя ставить размером не менее 1206.

[Yahont7]

Только что, BARS_ сказал:

А как питание повлияет на нейтраль?

Если питание МК идет от отдельной обмотки обратноходового тр-ра, то по идеи для МК фиолетово заходит ли фаза или нейтраль на клемму N. Единственное, но.. будет выделена мощность на резистивных делителях 160мВт, что есть аварийным режимом эксплуатации. Ничего не сгорит.

Только что, BARS_ сказал:

Опторазвязка - прошлый век. Смотреть надо в сторону Si86xx и аналогичных. Для RS вообще есть драйвера со встроенной развязкой.

А если сделать так:

[BARS_]

Adum хуже по параметрам, чем Si. Да и транзистор там непонятно зачем.

Я раньше делал так

Сейчас перешел на вот такие микрухи

 

[Yahont7]

Вы используете более дорогие микросхемы таже АДМ2486 стоит в три дороже.
Дороговизна этой микрухи очевидно обусловлена пропускной способность в 20Мбит/с. Для сетей RS485 при протоколе Modbus RTU, обычно используют скорость не более 115кБит/сек, потому там подойдет самый дешевый драйвер RS485, с пропускной способностью в 1Мбит/с.
 

Если же говорить про SI8641EC-B-IS1, то это вообще крутая микруха, хотябы скоростью в 150Мбит/сек, но в нашем случае см. выше, тоже может быть заменена (без ухудшения всей системы в целом) на более дешевые решения. Как то так.

[BARS_]

59 минут назад, Yahont7 сказал:

подойдет самый дешевый драйвер RS485, с пропускной способностью в 1Мбит/с.

Как правило, более скоростные драйвера обеспечивают больший ток на выходе, а значит имеют меньше проблем на длинных линиях.

 

1 час назад, Yahont7 сказал:

таже АДМ2486 стоит в три дороже.

Так она сочетает в себе развязку и конвертер RS485. Плюс есть более дешевые микрухи с аналогичной втутрянкой. Плюс она лучше переносит скачки напряжения на линии, чем дешевые аналоги.

 

1 час назад, Yahont7 сказал:

SI8641EC-B-IS1, то это вообще крутая микруха

Если взять 8631 (41 у меня избыточна, 1 канал не используется), то при тех же параметрах она стоит сопоставимо с ADUM, имея при этом лучшие параметры и меньший корпус.

[Yahont7]

1 час назад, BARS_ сказал:

Так она сочетает в себе развязку и конвертер RS485. Плюс есть более дешевые микрухи с аналогичной втутрянкой. Плюс она лучше переносит скачки напряжения на линии, чем дешевые аналоги.

Это сильный аргумент, который круто меняет всю раскладку в пользу ADM2486.
Зашел на их сайт, почитал документацию из интересного:
1. AN-960 RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide там на стр 9. привлекла внимание схема включения микросхемы ADM2485. Согласно которой в выводам D1 и D2, подключается внешний развязывающий трансформатор, который через выпрямитель и стабилизатор запитывает второую половину микросхемы. Элегантное и красивое решение. Так и хочется его использовать. Но ценник  ADM2485 в три раза выше ADM2486 еще и трансформатор КоилКрафт тоже под 4 у.е. стоит но вроде можно такие и изготавливать на заказ, дешевле выйдет.

2. AN-1179: Junction Temperature Calculation for Analog Devices RS-485/RS-422, CAN, and LVDS/M-LVDS Transceivers здесь насчет тепловых расчетов и потребляемой мощности, полезная инфа.

Но документа по рекомендациям насчет обвязки нет, да и гугл както мало чего дает.
По их документам создается впечатление, что ни каких защит выходного интерфейса RS485 делать не надо..
Или все-же надо, как обычно на супрресорах и самовосстанавливающихся предохранителях?

[BARS_]

Как показывает практика, если блоки стоят в пределах одной-двух стоек, то защита для RS особо и не требуется. По крайней мере, у меня ADM3078 ни разу не сгорали. Максимум, что было замечено - периодические ошибки при приеме длинных пакетов, когда много силовухи работало. Сейчас для надежности ставлю USBLC6-2SC6 на линию RS. Это сборка TVS диодов. И синфазный дроссель.