Konversi level tegangan analog (level shift)

10

Saya memiliki joystick yang mengeluarkan tegangan analog di suatu tempat antara 1.5V dan 3.5V.

Saya ingin mengubah kisaran tegangan ini untuk mengendalikan pengontrol motor yang mengambil tegangan analog antara 0V dan 5V.

Bagaimana saya menaikkan level dan memperkuat dengan benar?

voltage operational-amplifier analog level-shifting jfenwick
sumber
Apakah tidak ada mikrokontroler perantara? Jika demikian gunakan saja ADC.
sptrks
2
Saya pikir Anda mungkin ingin menguraikan apa sebenarnya yang ingin Anda lakukan di sini. Apakah Anda mencoba skala tegangan analog dari 1,5V-3,5V ke 0V-5V? Apakah Anda mencoba mengubah tegangan analog ke beberapa keluaran digital?
bjthom
Konverter boost dapat membantu Anda mulai dari 3,5 V hingga 5 V, tetapi tidak dari 1,5 V ke 0 V. Keuntungannya selalu lebih besar atau sama dengan 1.
Telaclavo
1
@Telaclavo dorongan tidak berguna di sini, karena digunakan untuk menyalakan, tetapi kami menganggap dia memiliki persediaan lebih besar dari 3,5 V.
clabacchio
1
Kita tahu bahwa itu adalah tegangan analog. Apa pasokan Anda?
clabacchio

Jawaban:

12

Anda ingin keuntungan sederhana 5/2 = 2,5 berpusat di sekitar 2,5 V. Ini mudah dengan asumsi Anda memiliki daya 5 V, seperti dari pengontrol motor:

Ini perlu opamp keluaran rail to rail yang dapat berjalan dari daya 5 V, seperti MCP6041 dan banyak lainnya. R1 dan R2 membentuk pembagi tegangan untuk membuat 2,5 V di mana sinyal input akan diperkuat. C2 melemahkan noise dari suplai 5V bahkan melebihi DC untuk menghasilkan level DC yang tenang dan halus. Opamp dalam konfigurasi gain positif klasik, dengan R4 dan R3 mengatur gain. Impedansi sumber 2,5 V yang diproduksi oleh R1 dan R2 secara efektif ditambahkan ke R3 untuk keperluan penguatan, tetapi itu adalah kontribusi kecil sebesar 1,2 kΩ pada 100 kΩ. Keuntungan akan sedikit kurang dari 2,5.

Olin Lathrop
sumber
1
+1. Lebih tepatnya, output rail-to-rail (input rail-to-rail tidak diperlukan di sini)
Jason S
@Jason - Diperbaiki.
Olin Lathrop
Bagaimana Anda memilih nilai untuk R1 dan R2?
abdullah kahraman
1
@ abdullah: Karena suplai 5 V dan intinya adalah untuk membuat 2,5 V, satu kendala adalah R1 = R2. Pilihan lainnya adalah apa impedansi sumber 2,5 V seharusnya, yaitu R1 // R2. Lebih rendah lebih baik, tetapi lebih rendah juga berarti lebih banyak saat ini. Saya merasa 100 kOhm sekitar setinggi yang saya ingin gunakan dengan R3 untuk menjaga pikap suara nyasar. 1,2 kOhms tampaknya cukup rendah dibandingkan dengan impedansinya, dan menarik sekitar 1 mA dari suplai 5V, yang terdengar masuk akal.
Olin Lathrop
1
@ jfenwick: Saya tidak bisa mengatakan apa yang Anda pikirkan persamaan itu tanpa istilah Anda yang benar, seperti "Iklan". Juga, tampaknya Anda mungkin telah melewatkan fakta bahwa ada umpan balik negatif di sirkuit ini, yang menentukan keuntungan. Gain loop terbuka dari opamp sangat besar sehingga tidak masalah dengan gain dari rangkaian loop tertutup. Saya tidak melihat 5V dan GND berkumpul di mana saja. Anda harus lebih spesifik dengan sedikit lambaian tangan.
Olin Lathrop
6

Ini dimungkinkan dengan hanya satu op amp. Apa yang Anda coba lakukan adalah perubahan level dan penguatan . Kami biasa membuat ini sepanjang waktu. Mereka berguna dalam robot di mana Anda memiliki sensor dengan rentang output tegangan analog kecil, dan Anda ingin memperluas ayunan tegangan sehingga Anda bisa mendapatkan resolusi maksimum dari ADC Anda.

Kami biasanya membuatnya dengan offset dan penguatan variabel, sehingga kami dapat menyesuaikannya untuk setiap sensor pada robot.

Op amp level level shift dan amplify

Setelah mengatur dengan benar, Anda selalu bisa mengukur resistensi pot, dan menggunakan resistor nilai tetap sebagai gantinya.

Atau Anda dapat menghitung nilai secara langsung:

Tingkat op amp bergeser dan menguatkan

Ada kalkulator online untuk membantu Anda mengetahui nilai-nilai resistor.

Roket
sumber
Benar, tetapi ia perlu memberikan voltase suplai
clabacchio
@clabacchio - Benar. Tapi saya pikir kita bisa berasumsi ada 5v tersedia.
Rocketmagnet
4
Perhatikan bahwa ini membalikkan. Itu bisa menjadi masalah di antarmuka pengguna jika joystick harus dipindahkan berlawanan dari arah intuitif untuk membuat kecepatan motor lebih tinggi.
Olin Lathrop
Terima kasih telah menunjukkan bahwa ini disebut pergeseran level.
jfenwick
4

Berlawanan dengan apa yang dikatakan Cybergibbons, ini adalah analog elektronik yang cukup sederhana. Tetapi Anda harus menentukan persediaan mana yang ingin Anda gunakan untuk sirkuit Anda.

Anda memerlukan sirkuit yang menurunkan sinyal mode umum (1,5 V) ke 0, dan menerapkan penguatan 5/2 = 2,5 ke sisanya. Anda dapat dengan mudah melakukannya dengan level shifter berbasis Op-Amp dengan beberapa keuntungan.

Solusinya adalah dengan menggunakan pengurang analog dengan tegangan referensi ditempatkan pada 1,5 V, solusi yang lebih sederhana hanyalah penguat non-pembalik dengan referensi di tempat yang tepat.

Sirkuit ini akan melakukan pekerjaan:

masukkan deskripsi gambar di sini

Opamp hanyalah default di simulator, Anda mungkin perlu yang lain, tergantung pada suplai.

R1+R2R2

clabacchio
sumber
Ini sederhana jika Anda hanya menggambar skematis - komplikasinya datang dengan persyaratan bahwa sinyal harus pergi dari 0-5V dan itu adalah input ke pengontrol motor. 0.05V tidak akan memotongnya - sehingga perlu opamp suplai terpisah. Itu berarti Anda perlu menyediakan pasokan terpisah, yang merupakan banyak upaya tambahan.
Cybergibbons
@Cybergibbons tidak begitu banyak, tergantung pada apa yang dia punya; dan, dengan menggunakan op-amp rel-ke-rel, ia mungkin juga melakukan pekerjaan tanpanya.
clabacchio
Mungkin. Saya telah diajarkan bahwa mengandalkan kinerja kereta ke kereta api sedikit tidak boleh untuk kontrol karena beberapa alasan. Pertama, rail to rail tidak pernah benar-benar rail to rail - opamps dengan kinerja terbaik mencapai sekitar 10mV atau lebih, yang dapat menyebabkan masalah. Kedua, mereka tidak linier di wilayah itu. Ketiga, jika Anda memuat output kinerja rail to rail menjadi lebih buruk (kontrol motor mungkin memuat output - kita tidak tahu). Tentu saja, jika pengontrol motor memiliki band mati itu tidak masalah.
Cybergibbons
@Cybergibbons yah, tentang penurunan kinerja, Anda mungkin benar (saya tidak tahu) tetapi Perangkat Analog memiliki op-amp rel-ke-rel yang mencapai sekitar 2-5 mV (maks) dari rel. Tapi masalah ini tidak ada jika ia memiliki pasokan 12 V misalnya, jadi itu tergantung pada bagaimana ia ingin memasok itu. Mengenai kemampuan mengemudi, ia dapat menggunakan op-amp lain untuk menahan sinyal, selama ia memiliki suplai yang tepat.
clabacchio
@Cybergibbons - Apakah kemungkinan pin output PWM prosesor akan mencapai 10mV dari ground - bahkan pada siklus kerja 0%?
MikeJ-UK