Лабораторный мониторинг сопротивления жидкости

Сразу хочу предупредить - я врач-исследователь. Поэтому, несмотря на старательные попытки подтянуть знания в области электроники, могу делать тупейшие ошибки. Сейчас занимаемся стволовыми клетками и мне понадобилось получить мониторинг сопротивления жидкости, чтобы измерять динамику изменения концентрации солей. Типа TDS-метр. Дальнейшая логика не принципиальна - там хоть свисток включай, хоть клапан перекрывай. Это мне не очень сложно. Не без помощи уроков уважаемого Di Halt, который пинал в мозг и тыкал носом в самые очевидные ляпы. Я был бы очень благодарен, если бы вы просмотрели все это безобразие, прежде чем я ЛУТ начну делать. Все компоненты уже в наличии. Arduino nano, которых у меня пачка, работает в качестве контроллера. АЦП внешний - briokout c ADS1115 16-bit и обвязкой.

Принципиальная схема:

https://habrastorage.org/files/865/05a/5a1/86505a5a1ddd40fb91a016025e06286c.png

Логика работы: обычный импульсный блок питания на 12 вольт, линейные стабилизаторы снижают все это до 5 вольт и фильтруют. Просто 5 вольт идет на питание arduino и периферии, где небольшие погрешности напряжения некритичны. Также 5 вольт идут на питание ИОН REF198ESZ. Он на выходе может выдавать 30 мА. Этого достаточно на питание малошумящего операционного усилителя AD795JRZ, АЦП и на ток через раствор. Работаем на принципе обычного делителя напряжений, где раствор выступает в роли резистора с переменным сопротивлением. Операционный усилитель работает в дифференциальной схеме. Оставляем только разницу в диапазоне и умножаем на 7.5. Сигнал получаем АЦП и отдаем контроллеру по y2s. По y2s аналогично подключается экран символьный на 2 строчки обычный. Там прилеплен китайский контроллер, что позволяет сэкономить ноги. Работает отлично. Добавил подтяжку к +5V SDA и SCL. Работает и без них, но на всякий случай.

Чтобы не налажать в расчетах попытался освоить SPICE-моделирование. Использовал QUCS опенсорсный. Я преимущественно в Linux работаю, поэтому и выбор инструментов соответственный. ОУ упрощенно взят идеальным. Мне не столь принципиальны совсем мелкие отличия. Тем более, что постоянный ток короткими импульсами. Результаты моделирования:

https://habrastorage.org/files/49e/76f/9f0/49e76f9f0e8d41988c960bf340c9e1c4.png

Схему развел настолько аккуратно, насколько умею. Постарался разделить землю на силовую, аналоговую и цифровую. Все будет залито полигонами соответствующими. Я их не заливал пока, чтобы нагляднее было. Все согласно даташиту на ОУ для подавления помех. Линия до усилителя будет с двух сторон закрыта землей. На плате все более чем просторно, но утрамбовывать все, кроме зоны ОУ, где это критично, смысла особого нет. Места в корпусе еще на такую же хватит.

Общий вид платы:

https://habrastorage.org/files/a58/bfb/e1e/a58bfbe1ed3f4e538b6e7b3e29336cf8.png

Отдельно линии GND, +5V, +4.096, syknal, preamp.
GND

https://habrastorage.org/files/319/6fb/0e6/3196fb0e6af544348d9e618ad2ea8166.png

+5V

https://habrastorage.org/files/19a/65b/87d/19a65b87d66247ce9791aa03a811dc5d.png

+4.096

https://habrastorage.org/files/796/af9/b11/796af9b11e89494d8c5cf1883749dae6.png

Preamp

https://habrastorage.org/files/8b9/37a/a02/8b937aa02ffa4687a68bbfebc7307ed0.png

Signal

https://habrastorage.org/files/63f/83f/66d/63f83f66d1a44865953085ef43f2fad3.png

0

Если вы нигде не используете 9 вольт, зачем вам 2 стабилизатора?

0

Сообщение от STT Если вы нигде не используете 9 вольт, зачем вам 2 стабилизатора?

Видимо, чтобы было) Решил, что так меньше помех может через 12 вольт прилететь. Плюс распределение нагрева на два элемента. Это глобальный криминал или пусть будет? Чипы уже лежат.

0

Помехи вы конденсаторами фильтруете. Криминала никакого. А против "чтобы было" у меня аргументов нет)

0

Сообщение от STT Помехи вы конденсаторами фильтруете. Криминала никакого. А против "чтобы было" у меня аргументов нет)

Я просто полагал, что сам по себе стабилизатор тоже не особо должен пропускать всплески. Он на то и стабилизатор, чтобы заданное напряжение держать.

0

Сообщение от STT Если вы нигде не используете 9 вольт, зачем вам 2 стабилизатора?

В такой схеме стабилизаторы очень хорошо отработают по возможным ВЧ-помехам (если добавить в схему ферритовые бусины перед R10 и на выходные ножки стабилизаторов, чтобы подавить ШП-выбросы, которые стабилизаторами не давятся, то суммарно не хуже, чем на 55-60 дБ).

0

Сообщение от trymktor Сообщение от STT Если вы нигде не используете 9 вольт, зачем вам 2 стабилизатора?

В такой схеме стабилизаторы очень хорошо отработают по возможным ВЧ-помехам (если добавить в схему ферритовые бусины перед R10 и на выходные ножки стабилизаторов, чтобы подавить ШП-выбросы, которые стабилизаторами не давятся, то суммарно не хуже, чем на 55-60 дБ).
О. Так это не индуктивность. Надо подумать. Я раньше считал, что это вариант индукции, поэтому опасался использовать. Ибо фиг его знает - у меня осциллографа нет. Неохота получить какой-нибудь резонанс непонятный, я не так хорошо понимаю базис. Поэтому старался упрощать.

Есть претензии к самой схеме, усилителю, разводке или еще чему-то? Просто первая плата, которую проектировал. До этого ни с Eagle ни со SPICE-моделированием не сталкивался.

0

а не проще было взять готовую оценочную плату на АЦП, ad7195ebz, например, за 50$. там уже всё есть и опора нормальная и предусилитель встроенныый, и транзисторный мостик для подключения/отключения измерительного резисторного моста, с переменой полярности. и даже 16х2 дисплей для отображения результатов.
только в USB воткнуть осталось.
протокол общения по USB правда эти пидорги из AD зажали, но схема есть, прошивку для контроллера можно и свою написать. ну или похожие платы от TI посмотреть, у них с описаниями внутренностей отладочных плат и протоколов обычно куда лучше.
или считаете что своего времени затрачено на это меньше чем на 50$

0

Сообщение от _pv а не проще было взять готовую оценочную плату на АЦП, ad7195ebz, например, за 50$. там уже всё есть и опора нормальная и предусилитель встроенныый, и транзисторный мостик для подключения/отключения измерительного резисторного моста, с переменой полярности. и даже 16х2 дисплей для отображения результатов. только в USB воткнуть осталось. протокол общения по USB правда эти пидорги из AD зажали, но схема есть, прошивку для контроллера можно и свою написать. ну или похожие платы от TI посмотреть, у них с описаниями внутренностей отладочных плат и протоколов обычно куда лучше. или считаете что своего времени затрачено на это меньше чем на 50$

Можно было и TDS-метр купить по идее. Просто я кроме как с Arduino пока не умею работать. Базовые знания C и работа в основном с готовыми библиотеками. Сложно мне очень. Образование в другую сторону. Но лучше меня в лаборатории никто с этим не разберется, а надо. Собственно, уже есть вся рассыпуха и вопрос в том, заработает ли схема и какие могут быть грабли. А то я мог там наворотить непотребства, особенно с разводкой.

0

Сообщение от trymktor В такой схеме стабилизаторы очень хорошо отработают по возможным ВЧ-помехам...

МК прекрасно работают от импульсных блоков питания (ТС пишет, что 12В приходит от такого стабилизатора). А для АЦП на плате стоит ИОН. Избыточность налицо, но хозяин- барин.

0

Сообщение от STT Сообщение от trymktor В такой схеме стабилизаторы очень хорошо отработают по возможным ВЧ-помехам...

МК прекрасно работают от импульсных блоков питания (ТС пишет, что 12В приходит от такого стабилизатора). А для АЦП на плате стоит ИОН. Избыточность налицо, но хозяин- барин.
Железо экспериментальное, решил перестраховаться. Мне не серию делать, стоимость не критична.

0

Сообщение от STT Сообщение от trymktor В такой схеме стабилизаторы очень хорошо отработают по возможным ВЧ-помехам...

МК прекрасно работают от импульсных блоков питания (ТС пишет, что 12В приходит от такого стабилизатора). А для АЦП на плате стоит ИОН. Избыточность налицо, но хозяин- барин.
А что насчет чистого AVcc? Дросселек из даташита при ШП-выбросах тут не очень сильно спасает (а они проходят сквозь стабилизатор, словно его и нет вовсе). Подробнее здесь (переводной вариант, оригинал).

0

Сообщение от Miktom Сообщение от _pv а не проще было взять готовую оценочную плату на АЦП, ad7195ebz, например, за 50$. там уже всё есть и опора нормальная и предусилитель встроенныый, и транзисторный мостик для подключения/отключения измерительного резисторного моста, с переменой полярности. и даже 16х2 дисплей для отображения результатов. только в USB воткнуть осталось. протокол общения по USB правда эти пидорги из AD зажали, но схема есть, прошивку для контроллера можно и свою написать. ну или похожие платы от TI посмотреть, у них с описаниями внутренностей отладочных плат и протоколов обычно куда лучше. или считаете что своего времени затрачено на это меньше чем на 50$

Можно было и TDS-метр купить по идее. Просто я кроме как с Arduino пока не умею работать. Базовые знания C и работа в основном с готовыми библиотеками. Сложно мне очень. Образование в другую сторону. Но лучше меня в лаборатории никто с этим не разберется, а надо. Собственно, уже есть вся рассыпуха и вопрос в том, заработает ли схема и какие могут быть грабли. А то я мог там наворотить непотребства, особенно с разводкой.

Блин, отличная плата. Жаль, что про неё не знал. В крайнем случае можно было бы после усилителя врезаться и использовать свой контроллер.

0

Сообщение от trymktor Сообщение от STT Сообщение от trymktor В такой схеме стабилизаторы очень хорошо отработают по возможным ВЧ-помехам... МК прекрасно работают от импульсных блоков питания (ТС пишет, что 12В приходит от такого стабилизатора). А для АЦП на плате стоит ИОН. Избыточность налицо, но хозяин- барин.

А что насчет чистого AVcc? Дросселек из даташита при ШП-выбросах тут не очень сильно спасает (а они проходят сквозь стабилизатор, словно его и нет вовсе). Подробнее здесь (переводной вариант, оригинал).
Прекрасная статья, спасибо. Добавлю бусины на вход к линейным стабилизаторам. А что там с переходными процессами? Если установить их после датчика в растворе. Измерение максимально коротким импульсом идёт.

0

и оптрон еще не правильно подключен:
во-первых нет питания на делитель, когда OKEN активен, то делитель подключен между землёй и землёй, а когда неактивен, то просто висит в воздухе.
а во-вторых если уж измеряете просто напряжение на нижнем плече делителя (хотя там каналов в АЦП, 2 штуки причём дифференциальных), а не по мостовой схеме, то не надо в измерительную цепь этот оптрон пихать иначе падение напряжение на нём будет на результат влиять.

0

Сообщение от Miktom Прекрасная статья, спасибо. Добавлю бусины на вход к линейным стабилизаторам. А что там с переходными процессами? Если установить их после датчика в растворе. Измерение максимально коротким импульсом идёт.

Добавьте бусины в свою схему так, как я выше вам написал.
На вход провода от датчика, в принципе, тоже можно поставить – подстрахует вход от возможных ВЧ-наводок.

0

Сообщение от trymktor Сообщение от Miktom Прекрасная статья, спасибо. Добавлю бусины на вход к линейным стабилизаторам. А что там с переходными процессами? Если установить их после датчика в растворе. Измерение максимально коротким импульсом идёт.

Добавьте бусины в свою схему так, как я выше вам написал.
На вход провода от датчика, в принципе, тоже можно поставить – подстрахует вход от возможных ВЧ-наводок.
А переходных процессов там нет? Просто тот же конденсатор ждать приходится, пока заряд стабилизируется после включения. Ну и в целом по схеме, выглядит нормально? Помехи это ладно, могу и клетку Фарадея добавить, если очень надо. меня больше зона операционного усилителя волнует.

0

Нет

0

Сообщение от _pv и оптрон еще не правильно подключен: во-первых нет питания на делитель, когда OKEN активен, то делитель подключен между землёй и землёй, а когда неактивен, то просто висит в воздухе. а во-вторых если уж измеряете просто напряжение на нижнем плече делителя (хотя там каналов в АЦП, 2 штуки причём дифференциальных), а не по мостовой схеме, то не надо в измерительную цепь этот оптрон пихать иначе падение напряжение на нём будет на результат влиять.

Надо подумать, спасибо. У меня проблема в том, что мне нужно выключать ток через раствор после измерения. А насколько критичное падение там можно ожидать и можно ли это просто учесть для ОУ? Падение это не помехи, все-таки.
6N137, Оптопара высокоскоростная 10 Мбит/с логическими уровнями на выходе [DIP-8]

UPD. туплю насчет подключения оптопары. Вроде сейчас просто размыкает +4.096. Не могу найти ошибку.

UPD2. Вижу, что забыл ограничительный резистор на диод оптрона. Возможно, стоит заменить резистор подтяжки на шунтирующий керамический конденсатор.

0

Хотел уточнить насчёт падения напряжения на оптроне. По идее, максимум мне это грозит снижением амплитуды после усилителя, что не так критично. В текущем варианте схемы мы усиливаем только разницу в изменении напряжения на делителе. При сопротивлении раствора равном R5 на выходе должно быть что-то в районе нуля. Соответственно, я не очень понимаю между чем и чем мне использовать дифференциальное подключение АЦП, если мы ему и так даем усиленный до максимума амплитуды сигнал. Если не трудно, можно ли попросить альтернативную схему, если она даст какие-то явные преимущества?

0