Jak próbkować sygnał analogowy -2 V do +2 V za pomocą mikrokontrolera PIC?

Używam mikroprocesora PIC z 10-bitowym przetwornikiem ADC do pobierania odczytów z sygnału analogowego o częstotliwości mniejszej niż 300 Hz. Jednak ten sygnał analogowy zawiera się w przedziale -2 V i +2 V. Jak mogę kondycjonować sygnał, aby znalazł się w użytecznym zakresie (zakładając, że wejście do ADC musi być dodatnie) Również nie mam dodatniego i ujemny zasilacz.

ważna uwaga:
ta odpowiedź została opublikowana w celu rozwiązania problemu dla wejścia -20 V do + 20 V , ponieważ o to pytano. Jest to sprytna metoda, ale nie działa, jeśli limit napięcia wejściowego pozostaje między szynami.

Będziesz musiał skalować napięcie za pomocą dzielnika rezystora, aby uzyskać napięcie między -2,5 V a + 2,5 V i dodać 2,5 V. (Zakładam, że Twój PIC ma zasilacz 5 V.)

Poniższe obliczenia wyglądają na długie, ale tylko dlatego, że szczegółowo wyjaśniam każdy krok. W rzeczywistości jest to tak łatwe, że możesz to zrobić w mgnieniu oka.

Najpierw to:

R1 oznacza rezystor między i V O U T , R2 oznacza rezystor pomiędzy + 5 V oraz V O U , T , i R3 oznacza rezystor między V O U T i G N D . $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Ile mamy niewiadomych? Trzy, R1, R2 i R3. Nie do końca, możemy dowolnie wybrać jedną wartość, a pozostałe dwie są od niej zależne. Wybierzmy R3 = 1k. Matematyczna sposób znalezienia innych wartości jest stworzenie zestawu dwóch równań z dwiema grupami ( , V O U T ) pary, a rozwiązanie z nieznanymi wartościami rezystorów. Zrobią to dowolne pary ( V I N , V O U T ), ale przekonamy się, że możemy ogromnie uprościć rzeczy, starannie wybierając te pary, a mianowicie wartości ekstremalne: ( + 20 V , + 5 V ) i ( $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$ , 0 V ). $-20V$$0V$

Pierwszy przypadek: , V O U T = + 5 V Zauważ, że (i to jest klucz do rozwiązania!) Oba końce R2 widzą + 5 V , więc nie ma spadku napięcia, a zatem nie prąd przez R2. Oznacza to, że I R 1 musi być taki sam jak I R 3 (KCL). I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
. Znamy prąd przez R1, a także napięcie nad nim, więc możemy obliczyć jego rezystancję:R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
. Znaleziono naszą pierwszą nieznaną! $R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Drugi przypadek: , V O U T = 0 V To samo, co z R2 dzieje się teraz z R3: brak spadku napięcia, więc brak prądu. Ponownie zgodnie z KCL, teraz I R 1 = I R 2 . I R 1 = - 20 V - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
. Znamy prąd przez R2, a także napięcie nad nim, więc możemy obliczyć jego rezystancję:R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
. Znaleziono naszą drugą nieznaną! $R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

Tak więc rozwiązaniem jest: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

Jak powiedziałem , ważny jest tylko stosunek tych wartości, więc równie dobrze mogę wybrać . Możemy sprawdzić to rozwiązanie w stosunku do innejpary( V I N , V O U T ), np. ( 0 V , 2,5 V ). R1 i R3 są teraz równoległe (oba mają + 2,5 V-0 V nad nimi, więc gdy obliczamy ich łączną wartość, znajdujemy$R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$ , dokładnie wartość R2 i wartość, której potrzebowaliśmy, aby uzyskać + 2,5 V z + 5 V ! Więc nasze rozwiązanie jest rzeczywiście poprawne. [Znaczek kontroli jakości idzie tutaj]$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

Ostatnią rzeczą do zrobienia jest podłączenie do ADC PIC. ADC często mają dość niskie rezystancje wejściowe, więc może to zakłócać naszą starannie obliczoną równowagę. Nie ma się jednak czym martwić, musimy po prostu zwiększyć R3, aby $V_{OUT}$ . Załóżmy, że R A D C = 5 k Ω , a następnie$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$ Z tego wynika, żeR3=1,25kΩ. $\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

edytuj
OK, to było sprytne i bardzo proste, nawet jeśli sam tak mówię. ;-) Ale dlaczego nie miałoby to działać, jeśli napięcie wejściowe pozostaje między szynami? W powyższych sytuacjach zawsze mieliśmy rezystor, przez który nie przepływał żaden prąd, tak że po KCL prąd przychodzący do węzła przez jeden opornik opuszczał drugi. Oznaczało to, że jedno napięcie musi być wyższe niż V O U T , a drugie niższe. Jeśli oba napięcia są niższe, prąd przepływałby tylko od tego węzła, a KCL tego zabrania.$V_{OUT}$$V_{OUT}$

Najprostszym sposobem jest użycie „dzielnika rezystora”.

Nie powiedziałeś, jakie napięcie ma ten PIC, a zatem zakres wejściowy A / D jest, więc zastosujmy na przykład 5 V. Twój zakres napięcia wejściowego wynosi 40 V, a wyjściowy 5 V, więc potrzebujesz czegoś, co tłumi co najmniej 8. Musisz także wyśrodkować wynik na 1/2 Vdd, czyli 2,5 V, podczas gdy twoje napięcie wejściowe jest wyśrodkowane na 0 V .

Można to osiągnąć za pomocą 3 rezystorów. Jeden koniec wszystkich trzech rezystorów jest połączony ze sobą i do styku wejściowego PIC A / D. Drugi koniec R1 idzie do sygnału wejściowego, R2 idzie do Vdd, a R3 do ziemi. Dzielnik rezystora jest utworzony przez R1 i równoległą kombinację R2 i R3. Możesz wyregulować R2 i R3, aby wyśrodkować wynikowy zakres na 2,5 V, ale dla uproszczenia wyjaśniamy, że będziemy żyć z odrobiną asymetrii i nieco osłabić, aby upewnić się, że oba końce są ograniczone do zakresu Vss-Vdd.

Powiedzmy, że PIC chce, aby sygnał analogowy miał impedancję 10 kΩ lub mniejszą. Ponownie dla uproszczenia, zróbmy R2 i R3 20 kΩ. Impedancja zasilająca PIC będzie nie większa niż równoległa kombinacja tych, wynosząca 10 kΩ. Aby uzyskać tłumienie 8, R1 musi być 7 razy R2 // R3, czyli 70 kΩ. Ponieważ jednak wynik nie będzie dokładnie symetryczny, musimy nieco osłabić, aby mieć pewność, że -20 V nie spowoduje, że wartość PIC będzie mniejsza niż 0 V. To faktycznie wymaga tłumienia 9, więc R1 musi być co najmniej 8 razy R2 // R3, czyli 80 kΩ. Standardowa wartość 82 kΩ pozwoli na pewne nachylenie i margines, ale nadal otrzymujesz większość zakresu A / D do pomiaru oryginalnego sygnału.

Dodany:

Oto przykład znalezienia dokładnego rozwiązania podobnego problemu. Nie ma asymetrii i ma określoną określoną impedancję wyjściową. Tego rodzaju rozwiązanie można zawsze zastosować, gdy zakres A / D znajduje się całkowicie w zakresie napięcia wejściowego.

To jest standardowy obwód do tego. Musisz skalować wartości rezystorów dla wymaganej impedancji.

Jeśli sygnał nie jest prądem stałym lub jeśli odniesienie napięcia stałego nie jest ważne, sygnał można połączyć pojemnościowo z wejściem ADC.

Alternatywnie, jeśli twoje uziemienie dla PIC jest zmienne, możesz powiązać uziemienie sygnału z 1/2 VDD PIC.

Następujący obwód powinien wykonać zadanie:

3.3V
 +
 |
 \
 / 1k
 \
 |
 +-- ADC input
 |
 \
 /  1k
 \
 |
 +-- Signal input (-2V to +2V)

Jest to potencjalny rozdzielacz. Przy -2 V moc wyjściowa wyniesie 0,65 V. przy + 2 V, 2,65 V.

Cały hałas na szynie 3.3V zostanie przeniesiony na wejście, więc użyj dobrego napięcia odniesienia, aby zmniejszyć ten problem.

Będzie to działać również z innymi materiałami eksploatacyjnymi, ale przesunięcie zmieni się.

$V_{ADCREF-}$
$V_{ADC}$$V_{DD}$$V_{ADC}$$V_{ADCREF+}$

$V_{DD}$$\frac{2V}{3.3V}$$V_{ADC}$