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?

voltage operational-amplifier analog level-shifting 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