Conceptos básicos de medición de resistencia ratiométrica utilizando un convertidor analógico a digital

Los convertidores A/D son ratiométricos, es decir, su resultado es proporcional a la relación entre el voltaje de entrada y el voltaje de referencia. Esto se puede utilizar para simplificar la medición de resistencia.

La forma estándar de medir la resistencia es hacer pasar una corriente a través de la resistencia y medir su caída de voltaje (ver Figura 1). Luego, se puede utilizar la ley de Ohm (V = I x R) para calcular la resistencia a partir del voltaje y la corriente. La salida final puede ser analógica o digital.

El voltaje se pasa a un circuito de salida analógica o a un convertidor A/D. El circuito fuente de corriente debe ser preciso, libre de derivas y no verse afectado por la resistencia medida y las variaciones del voltaje de suministro. Diseñar un circuito de este tipo no es especialmente difícil, pero requiere componentes precisos y estables. El convertidor A/D, si se utiliza de esta manera, necesita un voltaje de referencia igualmente preciso y estable.

Si la misma corriente pasa a través de dos resistencias, la relación de sus voltajes seguirá siendo la misma si la corriente cambia. Esto se puede expresar matemáticamente en la Ecuación 1 como:

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

Podemos usar esta información para desarrollar un sistema convertidor A/D, como en la Figura 2, que realiza una medición de resistencia ratiométrica que no necesita una fuente de corriente constante ni un voltaje de referencia preciso.

Dónde:

En general, el resultado digital será proporcional a R(medida) / R(ref) independientemente del valor exacto de la corriente. En comparación con el enfoque estándar, no se requieren circuitos de fuente de corriente ni voltaje de referencia de precisión. Sólo un componente, R(ref), debe ser estable y preciso.

Es importante tener en cuenta que esto funcionará sólo si el convertidor A/D tiene una entrada diferencial, lo que no debería ser un problema, ya que la mayoría la tiene. La mayoría de los convertidores no tienen entradas de referencia diferencial, por lo que R(ref) debe conectarse al circuito común. Ambas resistencias deben tener la misma corriente, por lo tanto, R(medida) está conectada en serie con R(ref). La configuración de la Figura 2 está bien para un medidor simple; sin embargo, puede que no sea adecuado para sistemas de medición de sensores con salidas conectadas a común. Para resolver ese problema, necesitaría un convertidor A/D con una entrada de referencia diferencial. Cubriremos eso en la sección de microprocesadores a continuación.

Con eso en mente, echemos un vistazo al diagrama de bloques de la Figura 3, que agrega dos nuevos detalles.

La primera incorporación es un ajuste de equipamiento de referencia. Sin él, la conversión será tan precisa como la resistencia de referencia. Por ejemplo, una precisión del 0,05% requeriría una resistencia del 0,05% o mejor. Con el trimmer, la precisión se puede calibrar midiendo un R(medido) de alta precisión y ajustando el trimmer para obtener la salida o lectura digital adecuada. La resistencia de ajuste de referencia fija debe ser superior a R(ref). El recortador debe ser solo un pequeño porcentaje de la resistencia fija.

El segundo detalle agrega una medición de entrada opcional de cuatro cables (Kelvin), que a veces es necesaria para mediciones precisas de baja resistencia. Sin él, las resistencias de la conexión de los cables se suman a R(medida), sumando una fracción de ohmio. Para ver esto, simplemente tome un multímetro estándar, sujete los extremos de los cables de prueba y mida la resistencia. Leerá una fracción de ohmio, no cero.

Además, la conexión de cuatro hilos suministra la corriente a través de un conjunto de cables y utiliza un segundo par para medir la entrada. No fluye corriente a través de los cables de medición, por lo que no caen voltaje. El voltaje medido es verdaderamente I x R(medido), sin errores debidos a las resistencias de los cables. Los medidores de alta precisión suelen incluir una capacidad de medición de resistencia de cuatro cables.

Con toda esa información en la mano, veamos un ejemplo utilizando un DMM de bajo costo. Supongamos que tengo un multímetro digital de 3-1/2 de bajo costo comprado por unos pocos dólares en una ferretería. No puedo explorar completamente su circuito porque el chip IC está enterrado bajo epoxi; sin embargo, realicé una prueba y parece funcionar de esta manera usando una fuente de corriente no constante. La Tabla 1 a continuación tiene los resultados donde las resistencias medidas tenían tolerancias de +1%:

R(medida) +1%

5 (mío)

Lectura del DMM

0 (corto)

1,9 mA (aprox.)

0,3 Ω (resistencia del cable)

10,0 Ω

18,7 mV

1,87 mA

10,3 Ω

100 ohmios

177,4 mV

1,74 mA

100,6 ohmios

182 Oh

307,5 ​​mV

1,68 mA

182,5 Ω

La Tabla 2, por otro lado, muestra los resultados de los datos cuando se configura en el rango de 20 KΩ.

R(medida) +1%

5 (mío)

Lectura del DMM

0 (corto)

22 uA (aprox.)

0,00 kΩ

1,00 kΩ

22,4 mV

22,4 uA

1,00 kΩ

10,0 kilovatios

133,5 mV

13,4 uA

9,99 kilovatios

18,2 kilovatios

178,2 mV

9,8 uA

182,7 kilovatios

¿Los resultados? Todas las lecturas están dentro de la tolerancia del uno por ciento, aunque la corriente varía.

Como nota, mi óhmetro de laboratorio de alta precisión no funciona de esta manera. Su corriente permanece precisamente constante independientemente de la resistencia medida.

Muchos microprocesadores y microcontroladores incluyen un convertidor A/D. De manera similar a la Figura 3, la Figura 4 muestra un diagrama de bloques de ejemplo de cómo se puede conectar un microprocesador de ejemplo.

Usando un convertidor A/D con una entrada de referencia diferencial, puede conectar la resistencia medida al circuito común. Sin embargo, el A/D de su microprocesador puede incluir una entrada de referencia diferencial. Si es así, puedes aprovechar para conectar la resistencia medida al común del circuito. Como ilustra la Figura 4, las resistencias medidas y de referencia se intercambian.

La mayoría de los microprocesadores permiten conmutar las entradas A/D mediante código. La referencia positiva se puede cambiar a referencia interna o externa, y la referencia negativa a externa o común. Si ambos se cambian a externo, la entrada de referencia se vuelve diferencial y no necesita conectarse al común.

Además, la Figura 4 muestra que R(medida) ahora se puede conectar al común y la resistencia de referencia "flota". El sistema ahora puede conectar tanto la entrada como la salida a un común. Aunque la figura muestra una entrada de cuatro cables, para una entrada de dos cables, simplemente conecte +IN a la fuente de corriente y -IN al común.

Los sensores resistivos incluyen termistores, RTD (detectores de temperatura resistivos) y potenciómetros de medición de posición. La medición ratiométrica se puede utilizar para todos, lo cual explicaremos en las siguientes secciones.

La Figura 5 muestra algunos tipos de paquetes de termistores de ejemplo.

La parte de medición es simple: el termistor se convierte en R (medición) y una entrada de dos cables debería funcionar bien. La parte difícil es convertir la medida de resistencia a temperatura. Tanto los termistores NTC (coeficiente de temperatura negativo) como PTC (coeficiente de temperatura positivo) son no lineales y cambian de resistencia a medida que cambia la temperatura.

La conversión requiere tablas de búsqueda o ecuaciones complejas. Algunas técnicas analógicas pueden linealizar aproximadamente la lectura; sin embargo, sólo en rangos de temperatura estrechos.

Los RTD no son de baja resistencia, aunque muchos son de 100 ohmios a 0 °C, aunque también son comunes las versiones de 200, 500 y 1000 ohmios. Sin embargo, una fracción de ohmio puede traducirse en un error de medición de temperatura inaceptable.

La sensibilidad del RTDS de platino (el tipo más común) es de aproximadamente 0,4% por °C. En un dispositivo de 100 ohmios, 0,4 ohmios de resistencia del cable se convierten en un error de 1 °C (1,8 °F), por lo que se recomienda una entrada de cuatro cables. Puede que esto no sea necesario a 500 o 1000 ohmios.

Los RTD no son exactamente lineales con la temperatura, pero sus ecuaciones son bastante simples (lo cual está fuera del alcance de este artículo).

Los potenciómetros son bastante simples. Básicamente, conecte la entrada (+) A/D al limpiaparabrisas y la entrada (-) al extremo bajo o en sentido antihorario (-). La salida será proporcional a la posición del potenciómetro.

El concepto de medición de resistencia ratiométrica es simple: pase la misma corriente a través de las resistencias medidas y de referencia, y la salida A/D será proporcional a su relación. Lo hemos ampliado con detalles que, esperamos, te ayudarán en tus próximos diseños.