Как измерить отрицательное напряжение с помощью АЦП?

48

Я работаю с микроконтроллером PIC со встроенным 10-битным АЦП и хочу измерять напряжение в диапазоне от -1 до -3 Вольт.
Я думал об использовании операционного усилителя в инвертирующем режиме, чтобы сделать напряжение положительным, а затем подать его на АЦП микроконтроллера, однако здесь я должен был бы питать операционный усилитель с отрицательным источником питания, верно? Я не хочу использовать отрицательный источник питания в данный момент, и мне было интересно, возможно ли достичь этой конфигурации? Вы можете помочь?

microcontroller pic adc

— Кевин Бойд
источник

1

измеряемое значение от -1 до -3 В является выходом LM337, который я хочу контролировать.

— Кевин Бойд

Связано

— Дэвидкари

У меня нет достаточно деталей , чтобы конкретизировать полный ответ, но если ваш ПИК имеет VREF- (отрицательное опорное напряжение) булавку , то вы , вероятно , можете сделать это напрямую, без дополнительного преобразователя, благодаря творческому использованию опорных напряжений.

— Спарр

42

Инвертирующий усилитель не нуждается в отрицательной шины , чтобы инвертировать напряжение.

gschem

Попытайтесь думать о своих силовых шинах как о том, что обеспечивает ваш выход. Если вы посмотрите на схему, все выводы ОУ связаны с напряжением 0 В или выше. Когда ваш диапазон от -1 до -3 входит, он будет отображаться как полная противоположность от 1 до 3 на выходе. Это также дает вам некоторые преимущества в качестве буфера, так как входное сопротивление вашего вывода не будет сильно влиять на эту цепь (если R _в || R _f велико).

Я согласен, что простой резисторный делитель делает работу - просто сообщаю вам, что это также работает.

— Kortuk
источник

2

+1 - это правильный способ сделать это, если у вас нет АЦП, принимающего отрицательные входы.

— Джейсон С

3

Нет, рельсы операционного усилителя - это границы вашего выхода. Где операционный усилитель от железной дороги до железной дороги будет очень близко к границам. Вы могли бы, и многие потратили свою жизнь на разработку операционных усилителей. Идеального операционного усилителя не существует, но обычно есть идеальный операционный усилитель для конкретного случая.

— Кортук

4

На этой ноте, в этой конфигурации, если вы превысите -Vcc как ваш вход, ваш выход попадет на Vcc-рейку. Некоторые операционные усилители не будут находиться в пределах вольт или более от шины, некоторые операционные усилители будут работать в пределах 50 мВ. Если вы получаете больший входной сигнал, разделите его на большее значение, если у вас сигнал от -1 до -10 В, разделите на 2, проблема решена.

— Кортук

2

@ Kortuk - для любого случая не бывает идеального операционного усилителя . Тем не менее, для каждого проекта есть лучший операционный усилитель из доступных, если учитывать цену.

— Коннор Вольф

3

@ Фальшивое имя, я думаю, что это ошибка связи. Если он соответствует спецификациям, которые вам нужны, и доступен по цене, у вас есть идеальный операционный усилитель. Это была бы моя формулировка, я понимаю, что вы имеете в виду, хотя. Я принимаю ограничение и использую совершенное, потому что я позитивен. <3

— Кортук

16

Вы можете использовать делитель напряжения с одним концом, свисающим с положительной шины питания. Допустим, у вас есть один с равными резисторами и источником питания 5 В, это приведет к напряжению от + 2 В до + 1 В для диапазона от -1 до -3 В.

+5V +
    |
    R
    |
    +-- OUT
    |
    R
    |
IN -+

— Wim
источник

4

Для этого потребуется, чтобы терминал IN потреблял ток (5-Vin) / (2R), поэтому вам нужно будет выбрать R достаточно большой, чтобы не перегружать вход нежелательным током. тогда ваш вход АЦП должен будет иметь входной импеданс по крайней мере на порядок больше, чем значение R, чтобы не допустить чрезмерной нагрузки на сеть делителя. Что все может (или не может) быть возможным. К паспортам!

— JustJeff

3

-1: лучше использовать прецизионные резисторы и прецизионный эталон для 5В.

— Джейсон С

1

+1 за самый дешевый и простой способ. Но, как говорит Джейсон С., точность потребует усилий, если это имеет значение.

— DarenW 15.10.10

3

Любой шум на вашей положительной направляющей будет отображаться в вашем АЦП.

— эндолит

7

Идея делителя напряжения хороша, дешева, но дает вам проблему изменения измеряемого напряжения, которое будет восприниматься как 1/2 изменения на входе АЦП. Если точные измерения представляют интерес, решение представляет собой стабилитрон в качестве нижней половины делителя. Если измеряемая вещь может терпеть потерю небольшого тока, это будет прекрасно работать. Стабилитроны не являются абсолютно плоскими в своем обратном напряжении пробоя, особенно для очень малых токов, поэтому не делайте R1 слишком большим.

Теперь, чтобы увидеть, если этот сайт stackexchange позволяет мне добавлять изображения ...

альтернативный текст

— DarenW
источник

2

Имитация в QUCS

— DarenW 19.10.10

4

Это стандартная схема для такого рода преобразования. Я смоделировал это, чтобы доказать кому-то, что это работает, следовательно, схема SPICE. Вам нужно выбрать подходящие значения резистора, он работает, пока они 2R, 2R и R.

— Леон Хеллер
источник

4

Я сейчас работаю (не по электронике), без удобной электроники или книг, так что это будет просто грубая идея. Может быть, кто-то еще может заполнить детали ...

Попробуйте текущее зеркало, используя пару транзисторов PNP, висящих на Vcc-рейке. Подайте отрицательный сигнал напряжения на входную сторону зеркала через соответствующий резистор. Тот же самый ток должен затем течь через выходной транзистор зеркала. С правильно подобранным резистором вы создаете диапазон напряжения в пределах от 0 В до Vcc.

РЕДАКТИРОВАТЬ - НОВЫЙ: Вот текущая зеркальная схема. Какой бы ток не проходил через транзистор T1, T2 будет пытаться протекать одинаково. Измеряемое отрицательное напряжение относительно источника питания, который я случайно выбрал равным 15 В, создает некоторую струйку тока через R1 (измеряется при моделировании как «входной ток»). Если бы R2 был таким же, как и R1, вы бы нашли такое же напряжение на нем, если бы ему было позволено. Но он подключен к 0 В (gnd) - наша схема основана исключительно на положительном напряжении. Это не будет работать, если мы не сделаем R2 меньше, скажем, 1/2 от R1, тогда напряжение на нем будет 1/2 от того, что на R1. Измерьте это, сделайте математику (ууу, умножьте на 2, трудно!) И вот, пожалуйста. Схема имеет разные значения, другое соотношение альтернативный текст , но я думаю, что мы все можем справиться с математикой для этого.

Преимущество этого по сравнению с простым делителем напряжения состоит в том, что 1) он выглядит более сложным, 2) это обычная хитрость в конструкции аналоговых ИС. Поскольку я написал другой ответ, используя стабилитрон, я не уверен, почему это лучше, но это альтернатива делителю напряжения и может позволить получить в различных диапазонах напряжений или что-то еще. Теперь я позволю другим прокомментировать мудрость или глупость этой идеи ... альтернативный текст

— DarenW
источник

Я не мог понять, что вы имели в виду здесь, ссылка на схему поможет.

— Кевин Бойд

Хорошо, у меня сейчас есть время ... и когда я об этом думаю, я не уверен, почему это лучше, чем некоторые более простые схемы, за исключением того, что детальный дизайн, возможно, сработает лучше в численном отношении. Схема будет прикреплена в ближайшее время.

— ДаренW

Старый вопрос, который я понимаю, но ... Эта схема основана на зависимости напряжения базы-эмиттера от тока коллектора двух транзисторов, так что один и тот же ток течет в каждом из двух транзисторных коллекторов. Это было бы хорошим допущением в ИС, где можно сделать так, чтобы транзисторы хорошо согласовывались (и имели одинаковую температуру), но не для двух дискретных транзисторов. Схема может быть менее чувствительной к этой проблеме, если последовательно соединить согласующие резисторы с эмиттерами.

— gwideman

0

Возможно, вам даже не понадобится операционный усилитель. Некоторые АЦП (например, MCP3304, см. Таблицу данных: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21697e.pdf имеют встроенный дифференциальный режим, в котором АЦП возвращает разницу двух каналов, которая может быть отрицательное число. Если вы привязываете один канал к земле (так называемый псевдодифференциальный режим), АЦП может принять отрицательное входное напряжение на другом и преобразовать его в отрицательное число, и все это без необходимости использования отрицательного напряжения.

Конечно, это применимо только в том случае, если ваш АЦП поддерживает подобные вещи. У многих вообще нет дифференциального режима.

— DPDT
источник

1

Вы проверили таблицу данных в этой части? Из таблицы в разделе абсолютных максимальных номиналов: «Все входы и выходы относительно VSS ............ -0,3 В до VDD + 0,3 В» Это означает, что вы не можете иметь отрицательный Напряжение на входах или любой другой контакт в этом отношении. Почему? потому что защитные диоды входа включатся и предотвратят сгорание детали. Это не отвечает на вопрос, вопрос был, как я могу измерить отрицательное напряжение? Вы не можете измерить отрицательное напряжение с этой частью.

— Пик напряжения

-2

Я думаю, что уже есть очень хорошие ответы, но мне нравится публиковать другой подход, который я использую, чтобы сделать в основном то же самое.

Вы могли бы использовать инструментальный операционный усилитель (например, LT1167)? Вам, однако, понадобится отрицательный рельс, но разве это не даст большей точности? а также лучшие способы усиления напряжения, если нужно, просто добавив один резистор.

добавить отрицательную направляющую так же просто, как добавить что-то вроде minmax MCW03-05D05.

Проблема, с которой я сталкиваюсь при использовании резисторов, заключается в том, что очень трудно найти идентичные резисторы, которые могут привести к ошибке, которую вам придется исправить.

— Nisse
источник

Это довольно дорогой способ сделать что-то простое.

— Мэтт Янг

да, но я думаю, это зависит от того, насколько хорошая точность была бы нужна

— Nisse

1

Вы сами сказали, что резисторы являются основным источником ошибки. Использование более дорогой детали, наряду с необходимостью добавления какого-либо отрицательного рельса, не исправляет это. Использование резисторов с более высокой точностью имеет больше смысла.

— Мэтт Янг

ну, если нет необходимости в усилении, нет необходимости в каком-либо резисторе. Кроме того, это просто еще один способ сделать это, я не говорю, что это правильный способ сделать это для любого применения, но в некоторых случаях это может быть лучше отказаться от использования отрицательного рельса.

— Nisse