Analogowa konwersja poziomu napięcia (przesunięcie poziomu)

Mam joystick, który wyprowadza napięcie analogowe gdzieś pomiędzy 1,5 V a 3,5 V.

Chcę przekształcić ten zakres napięcia, aby sterować sterownikiem silnika, który pobiera napięcie analogowe między 0 V a 5 V.

Jak odpowiednio wyrównać przesunięcie i wzmocnić?

— Jfenwick
źródło

Czy nie ma pośredniego mikrokontrolera? Jeśli tak, skorzystaj z ADC.

— sptrks

Myślę, że możesz zastanowić się, co dokładnie chcesz tutaj zrobić. Czy próbujesz skalować napięcie analogowe z 1,5 V-3,5 V na 0 V-5 V. Czy próbujesz przekonwertować napięcie analogowe na jakieś wyjście cyfrowe?

— bjthom

Konwerter doładowania może pomóc w przejściu z 3,5 V do 5 V, ale nie w przejściu z 1,5 V do 0 V. Jego wzmocnienie jest zawsze większe lub równe 1.

— Telaclavo

@Telaclavo doładowanie nie jest tu przydatne, ponieważ służy do zasilania, ale zakładamy, że ma większą podaż niż 3,5 V.

— clabacchio

Wiemy, że są to napięcia analogowe. Jaka jest twoja dostawa?

— clabacchio

Odpowiedzi:

Potrzebujesz prostego wzmocnienia wynoszącego 5/2 = 2,5 wyśrodkowanego wokół 2,5 V. Jest to łatwe, zakładając, że masz dostępną moc 5 V, na przykład ze sterownika silnika:

Musi to być opamp wyjściowy od szyny do szyny, który może zasilać napięciem 5 V, podobnie jak MCP6041 i wiele innych. R1 i R2 tworzą dzielnik napięcia, aby wytworzyć 2,5 V, wokół którego wzmacniany będzie sygnał wejściowy. C2 tłumi hałas z zasilacza 5 V nawet bardziej niż prąd stały, aby uzyskać cichy i płynny poziom prądu stałego. Opamp ma klasyczną konfigurację wzmocnienia dodatniego, z ustawieniem wzmocnienia R4 i R3. Impedancja źródła 2,5 V wytwarzanego przez R1 i R2 skutecznie zwiększa R3 do celów wzmocnienia, ale jest to niewielki wkład 1,2 kΩ na 100 kΩ. Wzmocnienie będzie nieco mniejsze niż 2,5.

— Olin Lathrop
źródło

+1. Mówiąc dokładniej, wyjście szyna na szynę (niepotrzebne tutaj wejście szyna na szynę)

— Jason S

@Jason - Naprawiono.

— Olin Lathrop

Jak wybrałeś wartości dla R1 i R2?

— abdullah kahraman

@abdullah: Ponieważ zasilanie wynosi 5 V, a celem jest wytworzenie 2,5 V, jednym ograniczeniem było R1 = R2. Innym wyborem była impedancja źródła 2,5 V, czyli R1 // R2. Niższy jest lepszy, ale niższy oznacza również więcej prądu. Czułem, że 100 kOhm było tak wysokie, jak chciałem iść z R3, aby utrzymać zbieranie szumu na niskim poziomie. W porównaniu z tym impedancja 1,2 kΩ wydawała się wystarczająco niska i pobiera około 1 mA ze źródła 5 V, co brzmiało rozsądnie.

— Olin Lathrop

@jfenwick: Nie potrafię powiedzieć, co według ciebie oznaczają te równania bez twoich poprawnie zdefiniowanych terminów, takich jak „reklama”. Wygląda na to, że przegapiłeś fakt, że w tym obwodzie występuje ujemne sprzężenie zwrotne, które ustawia wzmocnienie. Wzmocnienie opampa w pętli otwartej jest tak duże, że nie ma znaczenia dla wzmocnienia obwodu pętli zamkniętej. Nigdzie nie widzę, że 5V i GND łączą się. Będziesz musiał być bardziej konkretny i mniej machać rękami.

— Olin Lathrop

Jest to możliwe tylko z jednym wzmacniaczem operacyjnym. To, co próbujesz zrobić, to przesunięcie poziomu i wzmocnienie . Robiliśmy to cały czas. Są przydatne w robotach, w których masz czujnik z małym analogowym zakresem wyjściowym napięcia, i chcesz rozszerzyć wahanie napięcia, aby uzyskać maksymalną rozdzielczość z ADC.

Zwykle robiliśmy je ze zmiennym przesunięciem i wzmocnieniem, abyśmy mogli dostosować je dla każdego czujnika robota.

Zmienny poziom wzmocnienia i wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego

Po poprawnym ustawieniu zawsze możesz zmierzyć rezystancję garnków i zamiast tego użyć rezystorów o stałej wartości.

Lub możesz obliczyć wartości bezpośrednio:

Przesunięcie i wzmocnienie poziomu wzmacniacza operacyjnego

Dostępny jest kalkulator online, który pomoże ci obliczyć wartości rezystorów.

— Rocketmagnet
źródło

Zgadza się, ale musi podać napięcie zasilania

— clabacchio

@clabacchio - True. Ale myślę, że możemy założyć, że dostępne jest napięcie 5 V.

— Rocketmagnet,

Zauważ, że to odwraca. Może to stanowić problem w interfejsie użytkownika, jeśli joystick musi zostać przesunięty w przeciwnym kierunku niż intuicyjny kierunek, aby uzyskać wyższą prędkość silnika.

— Olin Lathrop,

Dziękujemy za zwrócenie uwagi, że nazywa się to przesunięciem poziomu.

— jfenwick

W przeciwieństwie do tego, co mówi Cybergibbons, jest to dość prosta elektronika analogowa. Musisz jednak określić, z którego źródła zamierzasz korzystać w swoim obwodzie.

Potrzebujesz obwodu, który obniży twój sygnał trybu wspólnego (1,5 V) do 0, a resztę zastosuje wzmocnienie 5/2 = 2,5. Możesz to łatwo zrobić za pomocą przełącznika poziomu opartego na wzmacniaczu operacyjnym z pewnym zyskiem.

Rozwiązaniem jest zastosowanie analogowego odejmatora z napięciem odniesienia ustawionym na 1,5 V, jeszcze prostszym rozwiązaniem jest tylko nieodwracający wzmacniacz z odniesieniem we właściwym miejscu.

Ten obwód wykona zadanie:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

_{^{Opamp jest tylko domyślnym w symulatorze, możesz potrzebować innego, w zależności od dostaw.}}

To nieodwracający wzmacniacz o wzmocnieniu uzyskanym przez $\dfrac{R_1 + R_2}{R_2}$ , a napięcie odniesienia powoduje zmianę napięcia.

— clabacchio
źródło

To proste, jeśli rysujesz schemat - komplikacja wiąże się z wymogiem, że sygnał musi wynosić od 0-5 V i jest wejściem do sterownika silnika. 0,05 V nie zamierza go przeciąć - więc potrzebuje dzielonego opampa zasilającego. Oznacza to, że musisz zapewnić podzieloną podaż, co jest dużym dodatkowym wysiłkiem.

— Cybergibbons,

@Cybergibbons nie tyle, w zależności od tego, co ma; i, używając wzmacniaczy operacyjnych rail-to-rail, mógłby również wykonać to zadanie bez niego.

— clabacchio

Możliwie. Nauczono mnie, że poleganie na wydajności kolej po szynach jest trochę nie do kontrolowania z kilku powodów. Po pierwsze, szyna na szynę nigdy tak naprawdę nie jest szyną na szynę - najlepiej działające opampy docierają do około 10 mV, co może powodować problemy. Po drugie, nie są tak liniowe w tym regionie. Po trzecie, jeśli załadujesz wyjście, wydajność szyny na szynie znacznie się pogorszy (sterowanie silnikiem może załadować wyjście - nie wiemy). Oczywiście, jeśli sterownik silnika ma strefę nieczułości, nie ma to znaczenia.

— Cybergibbons,

@Cybergibbons, jeśli chodzi o pogorszenie wydajności, możesz mieć rację (nie wiem), ale Analog Devices ma wzmacniacze operacyjne od szyny do szyny, które dochodzą do około 2-5 mV (maks.) Z szyn. Ale ten problem nie istnieje, jeśli na przykład ma zasilanie 12 V, więc zależy to od tego, jak chce je dostarczyć. Jeśli chodzi o zdolność kierowania, może on użyć innego wzmacniacza operacyjnego do buforowania sygnału, o ile ma odpowiednie zapasy.

— clabacchio

@Cybergibbons - Czy jest bardziej prawdopodobne, że pin wyjściowy PWM procesora znajdzie się w odległości 10 mV od ziemi - nawet przy 0% cyklu pracy?

— MikeJ-UK