Jak zmierzyć napięcie ujemne za pomocą ADC?

48

Pracuję z mikrokontrolerem PIC z wbudowanym 10-bitowym przetwornikiem ADC i chcę mierzyć napięcie w zakresie od -1 do -3 V.
Pomyślałem o zastosowaniu wzmacniacza operacyjnego w trybie odwracania, aby napięcie było dodatnie, a następnie doprowadziłem je do zasilacza mikrokontrolera, ale tutaj musiałbym zasilić opamp ujemnym zasilaczem, prawda? Nie chcę w tej chwili korzystać z ujemnego źródła zasilania i zastanawiałem się, czy można osiągnąć taką konfigurację? Czy możesz mi pomóc?

Kevin Boyd
źródło
1
-1 do -3V, które mierzę, jest wyjściem LM337, który chcę monitorować.
Kevin Boyd
Nie mam wystarczających szczegółów, aby udzielić pełnej odpowiedzi, ale jeśli twój PIC ma pin VREF- (ujemne napięcie odniesienia odniesienia), prawdopodobnie możesz to zrobić bezpośrednio, bez dodatkowego falownika, poprzez kreatywne wykorzystanie napięć odniesienia.
Sparr,

Odpowiedzi:

42

Wzmacniacz odwracający nie musi negatywnie szynę odwrócić napięcie.

gschem

Spróbuj pomyśleć o swoich szynach zasilających, które dostarczają twoją moc. Jeśli spojrzysz na obwód, wszystkie piny wzmacniacza operacyjnego są podłączone do napięcia 0 V lub wyższego. Kiedy pojawi się twój zakres od -1 do -3, wyświetli się jako dokładna odwrotność 1 do 3 na wyjściu. Daje to również pewne zalety jako bufor, ponieważ impedancja wejściowa twojego pinu nie wpłynie bardzo na ten obwód (o ile R w || R f jest duże).

Zgadzam się, że prosty dzielnik rezystorów spełnia swoje zadanie - po prostu informując, że to również działa.

Kortuk
źródło
2
+1 - jest to właściwy sposób na zrobienie tego, jeśli ADC nie przyjmuje negatywnych danych wejściowych.
Jason S
3
Nie, szyny wzmacniacza operacyjnego stanowią granice dla twojego wyjścia. Tam, gdzie wzmacniacz operacyjny typu rail to rail zbliży się do granic możliwości. Mógłbyś, i wielu z nich spędził swoje życie, projektując wzmacniacze operacyjne. Nie ma czegoś takiego jak idealny wzmacniacz operacyjny, ale zwykle istnieje idealny wzmacniacz operacyjny do konkretnego przypadku.
Kortuk
4
Z tej uwagi, w tej konfiguracji, jeśli przekroczysz wartość -Vcc jako dane wejściowe, twój wynik uderzy w szynę Vcc. Niektóre wzmacniacze operacyjne nie będą działały w obrębie wolta lub więcej szyny, niektóre wzmacniacze operacyjne będą w zakresie 50 mV. Jeśli otrzymasz większy sygnał wejściowy, podziel go przez większą ilość, jeśli masz sygnał od -1 do -10 V, podziel przez 2, problem rozwiązany.
Kortuk
2
@Kortuk - W żadnym wypadku nie ma idealnego wzmacniacza operacyjnego . Istnieje jednak najlepszy wzmacniacz operacyjny z dostępnego wyboru, jeśli weźmiemy pod uwagę cenę, dla każdego projektu.
Connor Wolf,
3
@ Nazwa fałszywa, myślę, że jest to błąd komunikacji. Jeśli spełnia specyfikację, której potrzebujesz i jest niedrogi, masz idealny wzmacniacz operacyjny. To byłoby moje sformułowanie, rozumiem jednak, co masz na myśli. Akceptuję ograniczenie i używam ideału, ponieważ jestem pozytywny. <3
Kortuk
16

Można użyć dzielnika napięcia z jednym końcem zwisającym z dodatniej szyny zasilającej. Powiedzmy, że masz taki sam z rezystorami i zasilaczem 5 V, to spowoduje napięcie między + 2 V a + 1 V dla zakresu od -1 do -3 V.

+5V +
    |
    R
    |
    +-- OUT
    |
    R
    |
IN -+
Wim
źródło
4
Będzie to wymagało, aby terminal IN pochłonął prąd (5-Vin) / (2R), więc będziesz musiał wybrać R wystarczająco duży, aby nie przytłoczyć wejścia niepożądanym prądem. wtedy twoje wejście ADC będzie musiało mieć co najmniej rząd wielkości większą impedancję wejściową niż wartość R, aby nie nadmiernie obciążać sieci dzielnika. Które wszystko może (ale nie musi) być możliwe. Do kart danych!
JustJeff,
3
-1: lepiej użyć precyzyjnych rezystorów i dokładnego odniesienia dla 5 V.
Jason S
1
+1 za bycie najtańszym najprostszym sposobem. Ale jak mówi Jason S, precyzja wymaga wysiłku, jeśli to ma znaczenie.
DarenW,
3
Każdy hałas na dodatnim szynie pojawi się w ADC.
endolith
7

Pomysł dzielnika napięcia jest fajny, tani, ale daje problem zmiany napięcia, które ma być mierzone, będzie widoczne jako 1/2 zmiany na wejściu ADC. Jeśli interesujące są dokładne pomiary, rozwiązaniem jest dioda Zenera jako dolna połowa dzielnika. Jeśli rzecz mierzona może znieść utratę małego prądu, zadziała to świetnie. Zenery nie są absolutnie płaskie w swoim odwrotnym napięciu przebicia, szczególnie dla bardzo małych prądów, więc nie rób R1 zbyt dużym.

Teraz sprawdź, czy ta witryna wymiany stosów pozwala mi dodawać obrazy ...

alternatywny tekst

alternatywny tekst

DarenW
źródło
2
Symulowane w QUCS
DarenW
4

Jest to standardowy obwód dla tego rodzaju konwersji. Symulowałem to, aby udowodnić komuś, że zadziałało, stąd schemat SPICE. Musisz wybrać odpowiednie wartości rezystorów, działa tak długo, jak są to 2R, 2R i R.

Leon Heller
źródło
4

Jestem teraz w (nieelektronicznej) pracy, bez podręcznej elektroniki lub książek, więc to będzie tylko szorstki pomysł. Może ktoś inny może podać dane ...

Wypróbuj aktualne lustro, używając pary tranzystorów PNP zawieszonych na szynie Vcc. Doprowadzić ujemny sygnał napięcia do strony wejściowej lustra przez odpowiedni rezystor. Ten sam prąd powinien następnie przepłynąć przez tranzystor wyjściowy zwierciadła. Dzięki dobrze dobranemu opornikowi tworzysz zakres napięcia od 0 V do Vcc.

EDYCJA - NOWOŚĆ: Oto aktualny schemat lustrzany. Niezależnie od prądu przepływającego przez tranzystor T1, T2 spróbuje wytworzyć taki sam przepływ prądu. Napięcie ujemne, które ma być zmierzone, w stosunku do zasilacza, który losowo wybrałem na 15 V, tworzy pewną strużkę prądu przez R1 (mierzoną w symulacji jako „prąd wejściowy”). Gdyby R2 było takie samo jak R1, można by znaleźć na nim takie samo napięcie, gdyby było na to pozwolenie. Ale jest podłączony do 0 V (GND) - nasz obwód opiera się wyłącznie na dodatnim zasilaniu. Nie będzie działać, dopóki nie zmniejszymy R2, powiedzmy 1/2 R1, wtedy napięcie na nim będzie 1/2 tego, co jest na R1. Zmierz to, zrób matematykę (whoo, pomnóż przez 2, ciężko!) I gotowe. Schemat ma różne wartości, inny stosunek alternatywny tekst, ale myślę, że wszyscy możemy sobie z tym poradzić.

Zaletą tego nad prostym dzielnikiem napięcia jest to, że 1) wygląda na bardziej skomplikowany, 2) jest powszechną sztuczką w projektowaniu analogowych układów scalonych. Ponieważ napisałem inną odpowiedź za pomocą diody Zenera, nie jestem teraz pewien, dlaczego jest to lepsze, ale jest to alternatywa dla dzielnika napięcia i może pozwolić na uzyskanie różnych zakresów napięć lub coś w tym rodzaju. Teraz pozwalam innym komentować mądrość lub głupotę tego pomysłu ... alternatywny tekst alternatywny tekst

DarenW
źródło
Nie mogłem zrozumieć, co miałeś na myśli, pomogłoby łącze do schematu.
Kevin Boyd
Ok, mam teraz czas ... i kiedy o tym myślę, nie jestem pewien, dlaczego jest to lepsze niż niektóre prostsze obwody, chyba że szczegółowy projekt może być lepszy numerycznie. Schemat zostanie dołączony wkrótce.
DarenW,
Rozumiem stare pytanie, ale ... Ten obwód opiera się na tym, że napięcie emitera bazowego względem krzywej prądu kolektora dwóch tranzystorów jest takie samo, tak że ten sam prąd płynie w każdym z dwóch kolektorów tranzystorów. Byłoby to dobre założenie w układzie scalonym, w którym tranzystory mogą być dobrze dopasowane (i mają tę samą temperaturę), ale nie w przypadku dwóch dyskretnych tranzystorów. Obwód można uczynić mniej wrażliwym na ten problem, umieszczając pasujące rezystory szeregowo z emiterami.
gwideman
0

Może nawet nie potrzebujesz wzmacniacza operacyjnego. Niektóre ADC (jak MCP3304, patrz arkusz danych: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21697e.pdf) mają wbudowany tryb różnicowy, w którym ADC zwraca różnicę dwóch kanałów, co może być liczba ujemna Jeśli podłączysz jeden kanał do ziemi (nazywany trybem pseudo-różnicowym), ADC może zaakceptować ujemne napięcie wejściowe na drugim i przekształcić je na liczbę ujemną, wszystko bez potrzeby stosowania napięcia ujemnego.

Oczywiście dotyczy to tylko sytuacji, gdy ADC obsługuje takie rzeczy. Wiele nie ma w ogóle trybu różnicowego.

dpdt
źródło
1
Czy sprawdziłeś arkusz danych w tej części? Z arkusza w sekcji absolutnych maksymalnych wartości znamionowych: „Wszystkie wejścia i wyjścia wrs VSS ............... -0,3 V do VDD + 0,3 V” Oznacza to, że nie możesz mieć ujemnego napięcie na wejściach lub innych stykach do tego celu. Dlaczego? ponieważ diody ochrony wejściowej włączą się i zapobiegną spaleniu części. To nie odpowiada na pytanie, pytanie brzmiało, jak mogę zmierzyć napięcie ujemne? W tej części nie można zmierzyć napięcia ujemnego.
Skok napięcia
-2

Myślę, że są już bardzo dobre odpowiedzi, ale lubię publikować inne podejście, że używam siebie do robienia zasadniczo tego samego.

Mógłbyś użyć opampowego oprzyrządowania (jak LT1167)? Potrzebowałbyś jednak szyny ujemnej, ale czy nie dałoby to większej dokładności? a także lepsze sposoby wzmocnienia napięcia, jeśli jest to pożądane, poprzez dodanie jednego opornika.

dodanie szyny ujemnej jest tak proste, jak dodanie czegoś w rodzaju minmax MCW03-05D05.

Problem z używaniem rezystorów polega na tym, że bardzo trudno jest znaleźć identyczne rezystory, co dałoby ci błąd, który musiałbyś poprawić.

Nisse
źródło
To dość drogi sposób na zrobienie czegoś prostego.
Matt Young
tak, ale myślę, że zależy to od tego, jak dobra byłaby dokładność
Nisse
1
Sam powiedziałeś, że rezystory są głównym źródłem błędu. Zastosowanie droższej części, wraz z koniecznością dodania negatywnej szyny, nie rozwiązuje tego. Zastosowanie rezystorów o większej precyzji ma większy sens.
Matt Young
cóż, jeśli nie ma potrzeby wzmacniania, nie ma potrzeby stosowania żadnego rezystora. Jest to również inny sposób na zrobienie tego, nie mówię, że jest to właściwy sposób na dowolne zastosowanie, ale w niektórych przypadkach może to być lepiej zrezygnować z nieużywania szyny ujemnej.
Nisse