Как сэмплировать аналоговый сигнал от -2 В до +2 В с помощью микроконтроллера PIC?

Я использую микросхему PIC с 10-битным АЦП для считывания аналогового сигнала с частотой менее 300 Гц. Однако этот аналоговый сигнал находится в диапазоне -2 В и +2 В. Как я могу подготовить сигнал, чтобы он оказался в рабочем диапазоне (при условии, что вход на АЦП должен быть положительным)? Также у меня нет положительного и отрицательный источник питания.

Важное примечание:
этот ответ был опубликован, чтобы решить проблему для входа от -20 В до + 20 В , потому что это было то, что было задано. Это умный метод, но он не работает, если лимит входного напряжения остается между рельсами.

Вам нужно будет масштабировать напряжение с помощью резисторного делителя, чтобы получить напряжение от -2,5 В до + 2,5 В и добавить 2,5 В. (Я предполагаю, что 5V блок питания для вашей PIC).

Следующий расчет выглядит длинным, но это только потому, что я подробно объясняю каждый шаг. На самом деле это так просто, что вы можете сделать это в своей голове в кратчайшие сроки.

Сначала это:

R1 представляет собой резистор между и V O U T , R2 представляет собой резистор между + 5 V и V O U T , и R3 представляет собой резистор между V O U T и G N D . $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Сколько у нас неизвестных? Три, R1, R2 и R3. Не совсем, мы можем свободно выбирать одно значение, а два других зависят от этого. Давайте выберем R3 = 1k. Математический способ найти другие значения - создать набор из двух уравнений одновременно из двух пар ( , V O U T ) и найти неизвестные значения резисторов. Подойдут любые пары ( V I N , V O U T ), но мы увидим, что мы можем значительно упростить вещи, тщательно выбрав эти пары, а именно предельные значения: ( + 20 В , + 5 В ) и ( $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$ , 0 В ). $-20V$$0V$

Первый случай: , V O U T = + 5 В Обратите внимание, что (и это ключ к решению!) Оба конца R2 видят + 5 В , поэтому падения напряжения нет, и, следовательно, нет тока через R2. Это означает, что I R 1 должен быть таким же, как I R 3 (KCL). I R 3 = + 5 В - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
. Мы знаем ток через R1, а также напряжение над ним, поэтому мы можем рассчитать его сопротивление:R1=+20В-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
. Найден наш первый неизвестный! $R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Второй случай: , V O U T = 0 В То же самое, что и с R2, теперь происходит с R3: без падения напряжения, поэтому без тока. Опять же согласно KCL, теперь I R 1 = I R 2 . I R 1 = - 20 В - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
. Мы знаем ток через R2, а также напряжение над ним, поэтому мы можем рассчитать его сопротивление:R2=+5В-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
. Найден наш второй неизвестный! $R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

Таким образом, решение: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

Как я сказал , что это только соотношение между этими величинами , которые имеют важное значение, так что я мог бы также выбрать . Мы можем сравнить это решение с другой ( V I N , V O U T ) парой, например ( 0 В , 2,5 В ). R1 и R3 теперь параллельны (они оба имеют + 2.5V-0V над ними, поэтому, когда мы вычисляем их объединенное значение, мы находим $R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$ , точно значение R2 и значение, которое нам нужно было получить + 2,5 В от + 5 В ! Так что наше решение действительно правильное. [КК штамп идет здесь]$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

Последнее, что нужно сделать, это подключить к АЦП PIC. АЦП часто имеют довольно низкое входное сопротивление, поэтому это может нарушить наше тщательно рассчитанное равновесие. Не о чем беспокоиться, однако, нам просто нужно увеличить R3 так, чтобы R 3 / / R A D C = 1 k Ω . Предположим, что R A D C = 5 k Ω , тогда $V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$ Отсюда находимR3=1,25KОм. $\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

редактировать
ОК, это было умно и очень просто, даже если я сам так говорю. ;-) Но почему это не сработает, если входное напряжение остается между рельсами? В описанных выше ситуациях у нас всегда был резистор, через который не проходил ток, так что после KCL ток, поступающий в узел через один резистор, уходил через другой. Это означало, что одно напряжение должно быть выше, чем V O U T , а другое - ниже. Если оба напряжения ниже, ток будет течь только от этого узла, и KCL запрещает это.$V_{OUT}$$V_{OUT}$

Самый простой способ - использовать «резисторный делитель».

Вы не сказали, какое напряжение работает на этом ПИК, и, следовательно, диапазон входного АЦП, так что давайте использовать 5V для примера. Ваш диапазон входного напряжения составляет 40 В, а выходной 5 В, поэтому вам нужно что-то, что ослабляет минимум на 8. Вам также нужно, чтобы результат был центрирован на 1/2 Vdd, что составляет 2,5 В, тогда как ваше входное напряжение центрировано на 0 В ,

Это можно сделать с помощью 3 резисторов. Один конец всех трех резисторов соединен вместе и с входным выводом PIC A / D. Другой конец R1 поступает на входной сигнал, R2 - на Vdd, а R3 - на землю. Резисторный делитель образован R1 и параллельной комбинацией R2 и R3. Вы можете отрегулировать R2 и R3, чтобы центрировать результирующий диапазон на уровне 2,5 В, но для простоты объяснения этого мы будем жить с небольшим количеством ассиметрии и ослаблять немного больше, чтобы убедиться, что оба конца ограничены диапазоном Vss-Vdd.

Скажем, PIC хочет, чтобы аналоговый сигнал имел полное сопротивление 10 кОм или меньше. Опять же, для простоты, давайте сделаем R2 и R3 20 кОм. Импеданс, питающий PIC, будет не более, чем параллельная комбинация из них, которая составляет 10 кОм. Чтобы получить ослабление 8, R1 должно быть в 7 раз больше R2 // R3, что составляет 70 кОм. Однако, поскольку результат не будет точно симметричным, нам нужно немного больше ослабить, чтобы убедиться, что -20 В не приведет к менее чем 0 В в PIC. Это на самом деле требует ослабления 9, поэтому R1 должно быть не менее 8 раз R2 / R3, что составляет 80 кОм. Стандартное значение 82 кОм учитывает некоторое отклонение и запас, но вы все равно получаете большую часть диапазона АЦП для измерения исходного сигнала.

Добавлено:

Вот пример поиска точного решения подобной проблемы. Это не имеет асимметрии и имеет определенный указанный выходной импеданс. Эту форму решения всегда можно использовать, когда диапазон АЦП полностью находится в диапазоне входного напряжения.

Это стандартная схема для этого. Вам необходимо масштабировать значения резистора для требуемого импеданса.

Если сигнал не постоянный ток, или если ссылка постоянного тока не имеет значения, сигнал может быть соединен с емкостным входом АЦПА.

В качестве альтернативы, если ваше заземление для PIC является плавающим, вы можете привязать свое заземление сигнала к 1/2 VDD PIC.

Следующая схема должна сделать работу:

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

Это потенциальный разделитель. При -2 В выход будет 0,65 В; при + 2В, 2,65 В.

Все шум на 3.3V железной дороге будет получить переданы на вход, поэтому использовать ссылку на хорошее напряжение, чтобы уменьшить эту проблему.

Это будет работать и с другими материалами, но смещение сместится.

Сумматор напряжения Томаса с двумя одинаковыми резисторами действительно прост, но имеет недостаток в том, что диапазон входного сигнала в АЦП уменьшается, а это означает, что шум будет оказывать большее влияние. Также нижний предел составляет 0,65 В. Если ваш микроконтроллер не имеет$V_{ADCREF-}$На вход (большинство контроллеров этого не делают) эта часть входного диапазона останется неиспользованной.
Это легко исправить: выберите соотношение резисторов, чтобы$V_{ADC}$будет 0В, если вход -2В. Для$V_{DD}$5 В это означает, что входной резистор должен составлять 2/5 от нагрузочного резистора. На входе 2 В$V_{ADC}$будет 2,86 В. Установлен$V_{ADCREF+}$ до этого уровня, и от -2 В до + 2 В охватит весь диапазон АЦП.

Если ваш $V_{DD}$ = 3,3 В входное сопротивление должно быть 61% ($\frac{2V}{3.3V}$) подтягивания. При + 2В$V_{ADC}$ будет 2,49 В.