ฉันจะตัวอย่างสัญญาณอะนาล็อก -2 V ถึง +2 V ด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC ได้อย่างไร

ฉันใช้ PIC ไมโครกับ ADC ขนาด 10 บิตเพื่ออ่านจากสัญญาณอะนาล็อกที่มีความถี่น้อยกว่า 300 เฮิร์ตซ์ อย่างไรก็ตามสัญญาณอะนาล็อกนั้นอยู่ในช่วง -2 V และ +2 V ฉันจะกำหนดเงื่อนไขสัญญาณเพื่อให้อยู่ในช่วงที่ใช้งานได้ (สมมติว่าอินพุตไปยัง ADC ต้องเป็นค่าบวก) นอกจากนี้ฉันไม่มีค่าบวกและ แหล่งจ่ายไฟเชิงลบ

หมายเหตุสำคัญ:
คำตอบนี้ถูกโพสต์เพื่อแก้ปัญหาสำหรับอินพุต -20V ถึง + 20Vเพราะนั่นคือสิ่งที่ถูกถาม มันเป็นวิธีที่ฉลาด แต่ไม่ทำงานหากขีด จำกัด แรงดันไฟฟ้าขาเข้าอยู่ระหว่างราง

คุณจะต้องปรับแรงดันไฟฟ้าด้วยตัวแบ่งความต้านทานเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าระหว่าง -2.5V ถึง + 2.5V และเพิ่ม 2.5V (ฉันสันนิษฐานว่าแหล่งจ่ายไฟ 5V สำหรับ PIC ของคุณ)

การคำนวณต่อไปนี้ดูยาว แต่เป็นเพราะฉันอธิบายทุกขั้นตอนอย่างละเอียด ในความเป็นจริงมันง่ายมากที่คุณสามารถทำได้ในเวลาไม่นาน

แรกนี้:

R1 เป็นตัวต้านทานระหว่างและ , R2 จะต้านทานระหว่างและและ R3 เป็นต้านทานระหว่างและGND V O U T + 5 V V O U T V O U T G N $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

มีกี่สิ่งที่ไม่ทราบ สาม, R1, R2 และ R3 ไม่มากนักเราสามารถเลือกหนึ่งค่าได้อย่างอิสระและอีกสองค่าขึ้นอยู่กับค่านั้น ลองเลือก R3 = 1k วิธีการทางคณิตศาสตร์ในการหาค่าอื่น ๆ คือการสร้างชุดสมการสองตัวพร้อมกันจากสอง ( , ) คู่และแก้หาค่าตัวต้านทานที่ไม่รู้จัก คู่ใด ๆ ( , ) จะทำ แต่เราจะเห็นว่าเราสามารถทำให้สิ่งต่าง ๆ ง่ายขึ้นอย่างมากโดยการเลือกคู่เหล่านั้นอย่างรอบคอบนั่นคือค่าที่สุด: ( , ) และ ( , ) V O U T V I N V O U T + 20 V + 5 V - 20 V 0 $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$$-20V$$0V$

กรณีแรก: , โปรดทราบว่า (และนี่คือกุญแจสำคัญในการแก้ปัญหา!) ปลายทั้งสองของ R2 ดูจึงไม่มีแรงดันตกและไม่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน R2 นั่นหมายความว่าจะต้องเหมือนกับ (KCL) {R1} เรารู้ว่าปัจจุบันผ่าน R1 และยังแรงดันไฟฟ้ามากกว่านั้นเพื่อให้เราสามารถคำนวณความต้านทาน: R1 พบว่าไม่รู้จักครั้งแรกของเรา! V O U T = + 5 V + 5 V I R 1 I R 3 I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
$R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

กรณีที่สอง: , สิ่งเดียวกับที่เกิดขึ้นกับ R2 ตอนนี้คือ R3: ไม่มีแรงดันตกจึงไม่มีกระแส อีกครั้งตาม KCL ตอนนี้ ={} {} เรารู้ว่าปัจจุบันผ่าน R2 และยังแรงดันไฟฟ้ามากกว่านั้นเพื่อให้เราสามารถคำนวณความต้านทาน: R2 พบว่าเราไม่ทราบที่สอง! V O U T = 0 V I R 1 I R 2 I R 1 = - 20 V - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
$R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

ดังนั้นวิธีการแก้ปัญหาคือ1k $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

เหมือนที่ผมบอกว่ามันเป็นเพียงอัตราส่วนระหว่างค่าเหล่านี้ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญดังนั้นฉันอาจรวมทั้งรับ4k เราสามารถตรวจสอบโซลูชันนี้กับคู่อื่น ( , ) เช่น ( , ) R1 และ R3 เป็นแบบขนาน (ทั้งคู่มี +2.5V-0V เหนือพวกมันดังนั้นเมื่อเราคำนวณค่ารวมของพวกเขาเราจะพบค่าของ R2 และค่าที่เราต้องได้รับจาก ! ทางออกของเราถูกต้องแน่นอน [QC stamp ไปที่นี่]V I N V O U T 0 V 2.5 V 0.75 k Ω + 2.5 V + 5 $R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

สิ่งสุดท้ายที่ต้องทำคือเชื่อมต่อเข้ากับ ADC ของ PIC ADCs มักจะมีความต้านทานอินพุตค่อนข้างต่ำดังนั้นสิ่งนี้อาจรบกวนสมดุลที่คำนวณอย่างระมัดระวังของเรา ไม่มีอะไรต้องกังวลเกี่ยวกับ แต่เราก็ต้องมีการเพิ่ม R3 เพื่อให้1k สมมติว่าจากนั้นจากนี้เราพบR3 R 3 / / R A D C = 1 k Ω R A D C = 5 k Ω $V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$ R3=1.25k$\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

แก้ไข
ตกลงนั่นฉลาดและเรียบง่ายมากแม้ว่าฉันจะพูดด้วยตัวเองก็ตาม ;-) แต่ทำไมถึงไม่ทำงานถ้าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าอยู่ระหว่างราง? ในสถานการณ์ข้างต้นเรามักจะมีตัวต้านทานที่ไม่มีกระแสไหลผ่านดังนั้นเพื่อติดตาม KCL กระแสที่เข้าสู่โหนดผ่านตัวต้านทานตัวหนึ่งจะออกจากตัวต้านทานตัวอื่น นั่นหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าหนึ่งค่าจะต้องสูงกว่าและค่าอื่น ๆ ที่ต่ำกว่า หากแรงดันไฟฟ้าทั้งสองมีค่าต่ำกว่าจะมีกระแสไหลออกจากโหนดนั้นเท่านั้นและ KCL จะห้ามไม่ให้ V O U $V_{OUT}$$V_{OUT}$

วิธีที่ง่ายที่สุดคือใช้ "ตัวต้านทานตัวต้านทาน"

คุณไม่ได้บอกว่าแรงดันไฟฟ้า PIC นี้ทำงานที่ใดดังนั้นช่วงอินพุต A / D จึงลองใช้ 5V เป็นตัวอย่าง ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตของคุณคือ 40V และเอาต์พุต 5V ดังนั้นคุณต้องการบางอย่างที่ลดทอนอย่างน้อย 8 คุณต้องให้ผลลัพธ์อยู่กึ่งกลางที่ 1/2 Vdd ซึ่งเป็น 2.5V ในขณะที่แรงดันอินพุตของคุณอยู่ที่ 0V .

สามารถทำได้ด้วยตัวต้านทาน 3 ตัว ปลายด้านหนึ่งของตัวต้านทานทั้งสามเชื่อมต่อกันและเข้ากับพินอินพุต A / D ปลายอีกด้านของ R1 ไปที่สัญญาณอินพุต R2 ไปที่ Vdd และ R3 ไปที่กราวด์ ตัวแบ่งความต้านทานถูกสร้างขึ้นโดย R1 และการรวมกันแบบขนานของ R2 และ R3 คุณสามารถปรับ R2 และ R3 ให้อยู่กึ่งกลางของช่วงผลลัพธ์ที่ 2.5V แต่สำหรับความง่ายในการอธิบายสิ่งนี้เราจะอยู่กับ assymetry เล็กน้อยและลดทอนอีกเล็กน้อยเพื่อให้แน่ใจว่าปลายทั้งสองจะถูก จำกัด ไว้ที่ช่วง Vss-Vdd

สมมติว่า PIC ต้องการให้สัญญาณอะนาล็อกมีความต้านทาน 10 kΩหรือน้อยกว่า เพื่อความเรียบง่ายลองสร้าง R2 และ R3 20 kΩ อิมพิแดนซ์ให้อาหาร PIC จะไม่มากไปกว่าการรวมกันแบบขนานของเหล่านั้นคือ 10 kΩ ในการรับการลดทอน 8 R1 จะต้องเป็น 7 คูณ R2 // R3 ซึ่งก็คือ 70 kΩ อย่างไรก็ตามเนื่องจากผลลัพธ์จะไม่สมมาตรอย่างแท้จริงเราจึงต้องลดทอนอีกเล็กน้อยเพื่อให้แน่ใจว่า -20V จะไม่ส่งผลให้น้อยกว่า 0V ใน PIC นั่นต้องใช้การลดทอนของ 9 ดังนั้น R1 ต้องมีอย่างน้อย 8 เท่า R2 / R3 ซึ่งก็คือ 80 kΩ ค่ามาตรฐาน 82 kΩจะยอมให้มีการตกและขอบ แต่คุณยังคงได้รับช่วง A / D ส่วนใหญ่เพื่อวัดสัญญาณดั้งเดิม

ที่เพิ่ม:

นี่คือตัวอย่างของการค้นหาวิธีแก้ไขปัญหาที่คล้ายกัน สิ่งนี้ไม่มีความแตกต่างและมีความต้านทานเอาต์พุตเฉพาะที่ระบุ รูปแบบการแก้ปัญหานี้สามารถใช้งานได้เสมอเมื่อช่วง A / D อยู่ในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตทั้งหมด

นี่คือวงจรมาตรฐานสำหรับสิ่งนั้น คุณต้องปรับขนาดตัวต้านทานสำหรับความต้านทานที่คุณต้องการ

หากสัญญาณไม่ใช่ DC หรือถ้าการอ้างอิง DC นั้นไม่สำคัญสัญญาณจะถูกควบคู่ไปกับอินพุตของ ADC

อีกทางเลือกหนึ่งถ้าหาก PIC ของคุณลอยอยู่คุณสามารถผูกสัญญาณกราวด์ของคุณไว้ที่ 1/2 VDD ของ PIC

วงจรต่อไปนี้ควรทำงาน:

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

มันเป็นตัวแบ่งที่มีศักยภาพ ที่ -2V, เอาต์พุตจะเป็น 0.65V; ที่ + 2V, 2.65V

เสียงทั้งหมดบนราง 3.3V จะถูกถ่ายโอนไปยังอินพุตดังนั้นให้ใช้การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่ดีเพื่อลดปัญหานี้

สิ่งนี้จะทำงานกับวัสดุอื่น ๆ ด้วย แต่การชดเชยจะเปลี่ยน

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

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