Nozioni di base sulla misurazione della resistenza raziometrica utilizzando un convertitore da analogico a digitale

I convertitori A/D sono raziometrici, ovvero il loro risultato è proporzionale al rapporto tra la tensione di ingresso e la tensione di riferimento. Questo può essere utilizzato per semplificare la misurazione della resistenza.

Il modo standard per misurare la resistenza è far passare una corrente attraverso il resistore e misurarne la caduta di tensione (vedere Figura 1). Quindi, la legge di Ohm (V = I x R) può essere utilizzata per calcolare la resistenza dalla tensione e dalla corrente. L'uscita finale può essere analogica o digitale.

La tensione viene trasmessa a un circuito di uscita analogico o a un convertitore A/D. Il circuito della sorgente di corrente deve essere accurato, privo di derive e non influenzato dalla resistenza misurata e dalle variazioni della tensione di alimentazione. Progettare un circuito del genere non è particolarmente difficile ma richiede componenti precisi e stabili. Il convertitore A/D, se utilizzato in questo modo, necessita di una tensione di riferimento altrettanto precisa e stabile.

Se la stessa corrente passa attraverso due resistori, il rapporto tra le loro tensioni rimarrà lo stesso se la corrente cambia. Ciò può essere espresso matematicamente nell'equazione 1 come:

$$\frac{Tensione(2)}{Tensione(1)} = \frac{(I \times R2)}{(I \times R1)} = \frac{R2}{R1}$$

Possiamo utilizzare queste informazioni per sviluppare un sistema di convertitore A/D, come nella Figura 2, che esegue una misurazione della resistenza raziometrica che non necessita di una fonte di corrente costante o di una tensione di riferimento precisa.

Dove:

Nel complesso, il risultato digitale sarà proporzionale a R(meas) / R(ref) indipendentemente dal valore esatto della corrente. Rispetto all'approccio standard, non sono richiesti circuiti di generazione di corrente né tensione di riferimento di precisione. Solo un componente, R(ref), deve essere stabile e preciso.

È importante notare che questo funzionerà solo se il convertitore A/D ha un ingresso differenziale, il che non dovrebbe essere un problema, visto che la maggior parte dei convertitori lo fa. La maggior parte dei convertitori non dispone di ingressi di riferimento differenziali, quindi R(ref) deve essere collegato al comune del circuito. Entrambi i resistori devono avere la stessa corrente, quindi R(meas) è collegato in serie con R(ref). La configurazione della Figura 2 va bene per un contatore semplice; tuttavia potrebbe non essere adatto per sistemi di misurazione con sensori con uscite collegate al comune. Per risolvere questo problema, avresti bisogno di un convertitore A/D con un ingresso di riferimento differenziale. Ne parleremo nella sezione sul microprocessore di seguito.

Tenendo questo in mente, diamo un'occhiata al diagramma a blocchi nella Figura 3, che aggiunge due nuovi dettagli.

La prima aggiunta è una regolazione del trim di riferimento. Senza di esso, la conversione sarà precisa quanto il resistore di riferimento. Ad esempio, una precisione dello 0,05% richiederebbe un resistore dello 0,05% o migliore. Con il trim, la precisione può essere calibrata misurando un R(meas) ad alta precisione e regolando il trimmer per l'uscita digitale o la lettura corretta. Il resistore di regolazione del riferimento fisso deve essere superiore a R(ref). Il trimmer dovrebbe rappresentare solo una piccola percentuale del resistore fisso.

Il secondo dettaglio aggiunge una misurazione di ingresso opzionale a quattro fili (Kelvin), talvolta necessaria per misurazioni precise a bassa resistenza. Senza di esso, le resistenze di collegamento del cavo si sommano a R(misura), aggiungendo una frazione di ohm. Per vederlo, basta prendere un multimetro standard, unire insieme le estremità dei puntali e misurare la resistenza. Leggerà una frazione di ohm, non zero.

Inoltre, la connessione a quattro fili fornisce la corrente attraverso un set di cavi e utilizza una seconda coppia per misurare l'ingresso. Nei cavi di misura non scorre corrente, pertanto non vi è alcuna caduta di tensione. La tensione misurata è realmente I x R(misura), senza errori dovuti alle resistenze dei cavi. I misuratori ad alta precisione solitamente includono una capacità di misurazione della resistenza a quattro fili.

Con tutte queste informazioni a portata di mano, analizziamo un esempio utilizzando un multimetro digitale a basso costo. Facciamo finta di avere un multimetro digitale 3-1/2 a basso costo acquistato per pochi dollari in un negozio di ferramenta. Non posso esplorarne completamente il circuito perché il chip IC è sepolto sotto resina epossidica; tuttavia, ho eseguito un test e sembra che funzioni in questo modo utilizzando una fonte di corrente non costante. La tabella 1 di seguito riporta i risultati in cui i resistori misurati avevano tolleranze del +1%: