分圧器を超えたArduinoアナログ入力のスケーリング電圧

最近、光ファイバー曲げセンサーをいくつか作りました。それらから得た値をArduino経由でコンピューターに読み込みたいと思います。私は光を測定しています。このフォトダイオードから工業用光ファイバ。現在、私はもう一方の端のLEDとフォトダイオード2.2Vを提供しています。私の質問は、フォトダイオード上のマルチメーターで測定される電圧変動が線形であるという事実に関係していますが、ファイバーが変形すると、かなり急進的でさえあります。ファイバーに応じて、ファイバーがまっすぐになっている場合（同じようにスコアを付けるのは難しい）、電圧は、たとえば1.92V付近で推移し、曲げると、たとえば1.93-1.94Vになります。ソフトウェアでスケーリングできるので、電圧が同じになることを心配していません。

私が心配しているのは、ArduinoでA / Dを行うときに解像度を失うことです。電圧変動が10 mVのオーダーである場合、Arduinoの10ビットA / Dは、分圧器で5 Vまで電圧をステップしても、それから地獄を量子化しませんか？私が探しているのはアナログスケーラーです。Arduino A / Dの全範囲を活用できるように、1.92〜1.94の範囲を0V〜5Vの全範囲をカバーするように拡張するにはどうすればよいですか。

これはエレクトロニクスの一般的な操作にならなければならないと感じていますが、正式に研究したことがないため、多くのことが失われています。

（davrのように、「曲げセンシングに光ファイバーを使用する理由は？ファイバーが曲げられたときに電圧が変化するのはなぜですか？」と考えているかもしれません。これにより、光がこぼれます。ケーブルがスコアリングから離れるように曲がると、ケーブルからさらに多くの光が放出され、レシーバーで電圧降下が発生します。

正しく理解できたら、1.9V信号の上に10 mVの変動を「読み取る」ことができますか？

その場合は、2つの別々の段階を提案します。最初はフォトダイオード増幅器です（9ページが最も標準的な回路です）。これは、フォトダイオードから電流を電圧に変換するのに役立ちます。

2番目のステージは、Texas InstrumentsのINAファミリなどの計装アンプです（最高ですが、高価な場合もあります）。これは「コモンモード」信号（この場合は1.9 V）を削除するのに役立ちます。また、計装アンプにゲインを追加するか、最後に非反転構成で単純なオペアンプを追加してゲインを上げることもできます必要な5 Vまでの信号

私はそれが完璧だと言っているわけではありませんが、それは良いスタートだと思います。

最後に、A / Dコンバーターで測定エラーが発生する可能性がありますが、上記のクランプに関するDavidのアイデアが気に入っています。しかし、もっと重要なのは、スイングできる場合は、741よりも優れたオペアンプを試してみることです。これらは一般的ですが、仕様はひどいです。入力端子の3 mVまたは4 mVのオフセット電圧は、測定しようとしているように小さな信号を実際に混乱させる可能性があります。

〜クリス・ガメル

この意味での信号​​調整は非常に一般的です。10mVのレンジスパンを（たとえば）Arduinoの0〜5Vのレンジ全体にするためにアンプを使用します。これは、LM741などのオペアンプを使用して実行できます。また、信号調整器の出力/ ADCへの入力に「電圧クランプ」（例：2つのツェナーダイオード）を使用して、値が5Vを超えないようにすることもできます。オペアンプのデータシートや信号調整回路をオンラインで見ると、探しているものに関するガイドが見つかります。

センサー出力を「+」入力に、DACを「-」入力に、差動PGA（プログラマブルゲインアンプ）とDACの組み合わせを検討することをお勧めします。（または、同等の機能を提供する統合された何か。）基本的に、低ゲインの信号を見て、そのオフセットが何であるかを把握し、その電圧をDACにかけ、ゲインを上げます。

TIのPGA308は、優れたソリューションのようです。

より安価なソリューションが必要な場合は、固定ゲイン差動アンプ（標準の4抵抗+オペアンプで可能）+安定した静かな8ビットDAC（精度よりも安定性/ノイズ特性が重要）を使用します。差動アンプへの「+」入力のセンサー出力と「-」入力のDAC出力。

読者向けの演習：DACでバイナリ検索手法を使用し、ゲインがG1 =フルスケールADC入力電圧より大きくならないようにすることで、差動アンプ出力を飽和状態から線形範囲に戻すことができることを示します。 DACの公称ステップサイズとそのDNL（微分非直線性）の合計で割った値。おそらく、（G1 / 2）とG2のうち小さい方を使用します。ここで、G2 =気になるセンサー出力電圧範囲で割ったフルスケールADC入力電圧です。

光ファイバを曲げセンサとして使用するのは適切ではないかもしれませんが、光ファイバのすべてのポイントが、最小限の損失で簡単に光を角の周りに曲げることができるのではないでしょうか？

差動入力を使用して1.9v標準（またはそれに近い）と比較するため、およびその差の分解能を高めるためにアンプを使用するために、2つのことが必要です。

最良の結果を得るには、外部の高品質の計装アンプまたはオペアンプを使用する必要があります。ただし、マイクロコントローラーに組み込まれた機能を使用してみてください。Arduino Mega（ATMega2560チップ）とArduino Leonardoの両方には、チップ上のADCへの差動増幅入力のオプションが含まれています。（ウノにはこれがありません）。ATMega2560は、複数のセンサー用の増幅された差動ADCの複数のチャネル（多重化）を実行できます。データシートを読んで、可能なピンの組み合わせを確認してください。200xの増幅オプションがあり、25 mvで1024ステップのフル解像度を実現します。25 mVのウィンドウを必要な場所に配置するだけです！

それはあなたの目的にとって十分なノイズフリーであるかもしれませんし、そうでないかもしれません-それはあなたがより多くの$$のために外部で構築できるほど高品質ではありません。

難しい部分は、安定した正確な1.9vリファレンスを取得して比較する場合があります。