Comment obtenir un échantillon analogique à dérive zéro et le maintenir pendant des heures?

Ce soi-disant opamp "zéro dérive" tombe .001V / sec, à la température 85C avec un plafond de 1 uF. Si je lis correctement la spécification, c'est 3,6 V / heure!

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf398-n.pdf

Existe-t-il une méthode pour stocker un V à faible courant pendant environ 5 heures avec dérive ou affaissement dans ma résolution souhaitée d'environ 250 ppm, ou 12 bits équivalents?

"Faible courant" signifie échelle mA ou uA.

Le taux d'échantillonnage est compris entre une fois par seconde et une fois toutes les 5 heures.

Je préfère rester dans le domaine analogique, car je veux explorer et développer mes connaissances analogiques.

La solution doit être pratique et utiliser des composants couramment disponibles

Les solutions numériques sont correctes, mais devraient être sans code, donc elles sont accessibles aux non-codeurs, et ne nécessitent pas d'ordinateur pour être implémentées, donc elles sont accessibles aux personnes qui ne possèdent pas d'ordinateur (comme les adolescents économiquement défavorisés que je conseille) .

Ne pas demander de numéros de pièces spécifiques, juste la méthode de base.

mise à jour:
Le fabricant a confirmé que mon estimation d'affaissement par heure est correcte. Selon le fabricant, l'affaissement est largement influencé par le courant de polarisation d'entrée de l'amplificateur tampon et par toute fuite pouvant survenir à travers le commutateur - pas seulement une fuite normale de condensateur. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

Eh bien, il semble y avoir des solutions, même si c'est un peu une explosion du passé ...

A Survey of Analog Memory Devices (à partir de 1962)

"Le transpolariseur, un analogue électrostatique du transfiuxeur le plus connu ..."

Pour une solution plus moderne, un micro avec ADC et DAC semble la voie à suivre. De plus, contrairement aux solutions analogiques, il est beaucoup plus susceptible d'être stable avec la température, ce qui est toujours un bon bonus ...

À propos des grandes capitalisations: il y a plusieurs problèmes.

• La valeur du condensateur dépend de la température, donc avec une quantité constante de charge dans votre bouchon, la tension variera avec la température. L'effet sera minime, ou énorme, selon le type de capuchon.

• La fuite de condensateur dépend beaucoup de la température (pour l'électrolyse)

• X7R est un microphone piézoélectrique.

• L'absorption diélectrique signifie que vous chargez votre capuchon, puis le déconnectez, attendez un peu, puis la tension dessus est maintenant différente! Et cela dépend de la tension qui était là avant de la charger (ou de la décharger). De plus, pour les grandes capsules destinées au découplage de l'offre, l'effet est absolument inoffensif, donc personne ne s'en soucie, et donc il n'y a pas de spécification. Je ne sais pas si cela dépend de la température et du vieillissement, mais il n'y a aucune raison pour que ce ne soit pas le cas. Vous n'obtiendrez qu'une spécification utile pour les bouchons destinés aux intégrateurs de haute précision et des trucs comme ça.

Je me souviens d'avoir mesuré des fuites sur un bouchon Panasonic FR 470µF 6V3. Je l'ai chargé à 5V pendant quelques minutes, puis l'ai mesuré toutes les quelques minutes. La tension chuterait rapidement à cause de DA, puis elle s'est stabilisée autour de 4V. J'ai laissé le capuchon sur une étagère pendant une semaine et j'ai mesuré à nouveau. La fuite calculée était dans les nanoampères, mais il faudrait la maintenir à la tension cible pendant un certain temps (comme au moins plusieurs heures sinon plusieurs jours) afin de surmonter l'absorption diélectrique ... donc ce serait complètement inutile dans cette application .

Obtenez un potentiomètre motorisé. Pour échantillonner, utilisez un opamp pour ramener la différence à zéro, pour ne pas la déplacer. La précision sera probablement assez faible, mais bon, pas de dérive.

Avec des composants analogiques standard, la réponse serait non, pas vraiment.

Bien sûr, avec des condensateurs ou d'autres éléments de stockage suffisamment grands, vous pouvez maintenir le niveau à l'intérieur d'un différentiel souhaité sur une longue période, mais il y aura toujours des pertes au fil du temps. En outre, le fait d'extraire des informations du dispositif de stockage supprime l'énergie de ce dispositif.

Théoriquement, avec une boucle supraconductrice, convenablement isolée de tout champ magnétique externe, vous pourriez établir un courant indéfini. Mais encore une fois, mesurer ce courant impliquerait l'élimination de l'énergie.

UNE ADDITION

Une autre alternative pourrait être de magnétiser "en permanence" certains matériaux ou substances en présence d'un capteur à effet Hall. Avec le bon matériel, vous pouvez stocker ce "niveau" pendant très longtemps.

Mais, bien sûr, il serait beaucoup moins cher et plus simple de le faire numériquement.

Cependant, vous n'avez pas besoin d'un micro.

Ce qui suit est un circuit hybride analogique / numérique de détection et de maintien de crête.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Le circuit utilise un DAC suiveur pour faire pivoter un niveau de tension à partir d'un compteur pour correspondre à la tension sur le condensateur. Une fois que la valeur DAC correspond, le comptage s'arrête et la tension de sortie est maintenue tant que l'alimentation est allumée ou jusqu'à ce que le signal CLEAR soit envoyé. Le capuchon n'a désormais plus besoin de maintenir le niveau de crête aussi longtemps qu'il faut au compteur pour atteindre cette tension. Évidemment, la granularité de la sortie dépend du nombre de bits dans le compteur / DAC.

Un véritable circuit "Sample and Hold" nécessiterait une entrée supplémentaire comme indiqué ci-dessous, ou une certaine forme de comparateur de fenêtre pour détecter quand le compteur est à un pas de la valeur.

^{simuler ce circuit}

Si la vitesse de balayage du compteur / DAC est plus rapide que la vitesse de balayage de votre signal d'origine, vous n'avez pas du tout besoin de l'échantillonneur analogique.

Bien que beaucoup plus facile en numérique, vous pouvez certainement le faire en analogique avec une sélection minutieuse des pièces.

Essentiellement, vous avez besoin de trois composants hautes performances:

• Un condensateur à faible fuite
• Un commutateur analogique à faible fuite
• Un ampli-op à faible courant de polarisation d'entrée pour votre tampon de sortie

Oubliez les condensateurs en céramique conventionnels si vous prévoyez de les tenir pendant des heures. Votre meilleur pari est un condensateur à film de polypropylène. Bob Pease a écrit un excellent article sur la caractérisation de leur taux de fuite . C'est de l'ordre des millivolts par jour, ce qui est probablement suffisant pour votre application.

Le commutateur est une partie souvent négligée de cela. Vous constaterez que même les meilleurs commutateurs analogiques à semi-conducteurs du commerce présentent des fuites de l'ordre de quelques picoamps. Un taux de fuite de 10 pA signifie que pour un plafond de 1 uF, vous drainerez 180 mV sur une période de cinq heures. Cela peut ou peut ne pas être acceptable pour vous. Si vous devez faire mieux, une meilleure solution est un relais Reed, qui a des fuites essentiellement négligeables car il crée en fait un espace d'air entre les contacts.

En termes d'opamps à faible courant de polarisation d'entrée, il existe plusieurs options disponibles. J'ai récemment utilisé le LMP7721 de TI sur une conception à haute impédance. Il a un Ib maximum de 20 fA à température ambiante et 900 fA à 85 ° C.

Ainsi, nous pouvons facilement imaginer une conception qui incorpore un capuchon en polypropylène, un relais reed et un tampon à faible Ib. Imaginons que nous utilisons:

• Un condensateur en polypropylène Vishay de 0,33 uF , qui a une constante de temps RC de fuite de l'ordre de$4 \cdot 10^5$ secondes à température ambiante.

• Un relais reed de première classe , avec une résistance en circuit ouvert de$10^{14} \Omega$.

• L' opamp LMP7721 mentionné précédemment .

Avec les composants ci-dessus à température ambiante, vous auriez les contributions d'erreur suivantes après 5 heures:

• Un affaissement de 4,5% de la constante de temps RC du capuchon.
• Dérive essentiellement négligeable du relais Reed
• Dérive essentiellement négligeable du tampon.

Cela suppose que vous disposez d'une configuration basse impédance appropriée (par exemple: retrait du masque de soldat de la carte, utilisez un anneau de protection entraîné).

De plus, la valeur RC pour le capuchon en polypropylène est la pire des valeurs: le monde réel est probablement meilleur. Correction: c'est une valeur typique. Cependant, comme Pease l'a trouvé dans l'article lié ci-dessus, un capuchon en polypropylène après trempage peut avoir une constante de temps de l'ordre des années. Cela nécessitera donc une certaine expérimentation et probablement un binning.

Il est donc certainement possible de le faire en analogique, bien que ce ne soit probablement pas pratique lorsque l'alternative est de numériser la sortie.

J'ai vu cela avec un relais Reed, un ampli opérationnel AD545 (il y en a de meilleurs maintenant) et un grand condensateur en polypropylène de 100 volts. Le fabricant de planches peut effectuer des coupes sur la planche qui fonctionnent mieux que les anneaux de garde seuls. Le relais n'était PAS du type moulé à l'époxy mais plutôt du type "cadre ouvert". L'ampli-op était dans une boîte, mais ce ne sera pas possible de nos jours.

Cette plate-forme était stable pendant des jours.

Solution 1

Si vous connaissez la pente de fuite de votre capuchon, vous pouvez à plusieurs reprises «compléter» le capuchon à des intervalles temporels, pour compenser l'affaissement.

Cependant, la pente est probablement non linéaire, donc la quantité de top-off serait non linéaire. Il est possible que le montant soit un simple pourcentage du niveau de charge du plafond, ce qui simplifierait les choses.

Solution 2

Si vous avez accès à une installation de fabrication de puces, vous pourrez peut-être reproduire cette cellule de stockage analogique non volatile à 3 transistors ésotérique avec une résolution effective de 14 bits. injection et effacé au moyen d'un tunnel d'oxyde de grille. Petite taille et faible consommation d'énergie. "

https://pdfs.semanticscholar.org/ed68/f94ad3d4bfad1126e83d152e23e6e6e0e495.pdf

Ou cette technique, en utilisant l'EEPROM comme périphérique de stockage analogique:

https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/PUBLICATIONS/Hu_papers/Hu_JNL/HuC_JNL_194.pdf

Solution 3

Pas analogique, vous pouvez utiliser une puce ADC dédiée directement sur un loquet. Cela pourrait éviter d'utiliser un MCU, qui maintient la solution sans code, par l'OP.

Vous devrez peut-être utiliser diverses puces logiques, horloges ou compteurs discrets pour que le verrouillage fonctionne.

Cette puce Maxim, par exemple, fonctionnerait sans MCU (pas une approbation de produit).

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1041

Voici un autre exemple d'utilisation d'un ADC sans MCU. Ce système est beaucoup plus complexe que ce dont l'OP a besoin. Par exemple, en tant qu'enregistreur audio, ses exigences de fréquence d'échantillonnage et de stockage dépassent de loin les besoins de l'OP.

http://ultimationee.blogspot.com/2011/09/digitally-recording-and-playing-back.html

Solution 4

Vous pouvez utiliser des potentiomètres numériques peu coûteux et couramment disponibles. Ils sont disponibles avec un stockage persistant et sont simples à utiliser.

Cependant, leur résolution n'est pas très élevée, allant de 100 à 256 pas. Vous pouvez utiliser 5 en série pour obtenir une résolution efficace de 12 bits.

Pourrait être piloté directement à partir d'un ADC sur l'entrée, en évitant un MCU. Donc, fondamentalement, vous les utiliseriez comme verrou. Un verrou pourrait être plus facile.

Ce lien n'est pas destiné à approuver un produit ou un distributeur

https://www.mouser.com/Mobile/Semiconductors/Digital-Potentiometer-ICs/_/N-4c498/