Bagaimana cara mengukur tegangan negatif dengan ADC?

48

Saya bekerja dengan micro-controller PIC dengan 10bit ADC inbuilt dan ingin mengukur tegangan dalam kisaran -1 hingga -3Volts.
Saya berpikir untuk menggunakan op-amp dalam mode pembalik untuk membuat tegangan positif dan kemudian memberi makan ke ADC dari mikrokontroler namun di sini saya harus memberi daya opamp dengan catu daya negatif, kan ?. Saya tidak ingin menggunakan catu daya negatif saat ini dan bertanya-tanya apakah mungkin untuk mencapai konfigurasi ini? Bisakah Anda membantu?

microcontroller pic adc Kevin Boyd
sumber
1
-1 hingga -3V yang saya ukur adalah output dari LM337 yang ingin saya monitor.
Kevin Boyd
terkait: Ukur -20V ke + 20V tegangan dengan pic
davidcary
Saya tidak memiliki cukup detail untuk menyempurnakan jawaban yang lengkap, tetapi jika PIC Anda memiliki pin VREF- (tegangan referensi negatif) maka Anda mungkin dapat melakukan ini secara langsung, tanpa inverter tambahan, melalui penggunaan tegangan referensi secara kreatif.
Sparr

Jawaban:

42

Sebuah penguat pembalik tidak memerlukan rel negatif untuk membalikkan tegangan.

gschem

Coba pikirkan rel listrik Anda sebagai apa yang memasok output Anda. Jika Anda melihat sirkuit, semua pin op-amp terikat pada tegangan 0V atau lebih tinggi. Ketika rentang -1 hingga -3 Anda masuk, itu akan muncul sebagai kebalikan dari 1 ke 3 pada output. Ini juga memberi Anda beberapa keuntungan sebagai buffer, karena impedansi input pin Anda tidak akan terlalu mempengaruhi sirkuit ini (selama R in || Rf besar).

Saya setuju bahwa pembagi resistor sederhana berfungsi - hanya memberi tahu Anda bahwa ini juga berfungsi.

Kortuk
sumber
2
+1 - ini adalah cara yang tepat untuk melakukannya jika Anda tidak memiliki ADC yang menerima input negatif.
Jason S
3
Tidak, rel dari op-amp adalah batas untuk output Anda. Di mana rail-rail op-amp akan berjalan sangat dekat dengan batas. Anda bisa, dan banyak yang telah, menghabiskan hidup mereka merancang op-amp. Tidak ada op-amp yang sempurna, tetapi biasanya ada op-amp yang sempurna untuk kasus tertentu.
Kortuk
4
Pada catatan itu, dalam konfigurasi ini, jika Anda melampaui -Vcc sebagai input Anda output Anda akan mengenai pagar Vcc. Beberapa op-amp tidak akan masuk dalam volt atau lebih dari rel, beberapa op amp akan masuk dalam 50mV. Jika Anda mendapatkan sinyal input yang lebih besar, bagilah dengan jumlah yang lebih besar, jika Anda memiliki sinyal -1 hingga -10 V, bagi dengan 2, masalah terpecahkan.
Kortuk
2
@Kortuk - Tidak pernah ada op-amp yang sempurna untuk kasus apa pun . Namun, ada op-amp terbaik dari pilihan yang tersedia, ketika harga dipertimbangkan, untuk setiap proyek.
Connor Wolf
3
@Fake Name, saya pikir ini adalah kasus kesalahan komunikasi. Jika memenuhi spesifikasi yang Anda butuhkan dan terjangkau, maka Anda memiliki op-amp yang sempurna. Itu akan menjadi kata-kata saya, saya mengerti maksud Anda. Saya menerima batasan dan menggunakan yang sempurna karena saya positif. <3
Kortuk
16

Anda dapat menggunakan pembagi tegangan, dengan satu ujung menggantung rel pasokan positif. Katakanlah Anda memiliki satu dengan resistor yang sama dan catu daya 5V, ini akan menghasilkan tegangan antara + 2V dan + 1V untuk rentang -1 hingga -3V Anda.

+5V +
    |
    R
    |
    +-- OUT
    |
    R
    |
IN -+
Wim
sumber
4
Ini akan mengharuskan terminal IN untuk menenggelamkan arus (5-Vin) / (2R), jadi Anda harus memilih R yang cukup besar untuk tidak membanjiri input dengan arus yang tidak diinginkan. kemudian, input ADC Anda harus memiliki paling tidak urutan impedansi input lebih besar daripada nilai R, agar tidak terlalu memuat jaringan pembagi. Yang semuanya mungkin (atau mungkin tidak) mungkin. Ke lembar data!
JustJeff
3
-1: Anda sebaiknya menggunakan resistor presisi dan referensi presisi untuk 5V.
Jason S
1
+1 untuk menjadi cara termudah yang termurah. Tetapi seperti yang dikatakan Jason S, ketelitian akan membutuhkan upaya, jika itu penting.
DarenW
3
Setiap kebisingan pada rel positif Anda akan muncul di ADC Anda.
endolith
7

Ide pembagi tegangan bagus, murah, tetapi memberi Anda masalah perubahan tegangan yang akan diukur akan terlihat sebagai 1/2 perubahan pada input ADC. Jika pengukuran yang akurat menarik, solusinya adalah dioda zener sebagai bagian bawah pembagi. Jika benda yang diukur dapat mentolerir kehilangan sedikit arus, ini akan bekerja dengan baik. Zener tidak benar-benar datar dalam tegangan kerusakan terbalik, terutama untuk arus yang sangat kecil, jadi jangan membuat R1 terlalu besar.

Sekarang untuk melihat apakah situs stackexchange ini memungkinkan saya untuk menambahkan gambar ...

teks alternatif

teks alternatif

Sayang
sumber
2
Disimulasikan dalam QUCS
DarenW
4

Ini adalah sirkuit standar untuk konversi semacam itu. Saya mensimulasikannya untuk membuktikan kepada seseorang bahwa itu berhasil, maka dari itu skema SPICE. Anda perlu memilih nilai-nilai resistor yang sesuai, itu berfungsi selama mereka 2R, 2R dan R.

Leon Heller
sumber
4

Saya di (non-elektronik) bekerja sekarang, tanpa alat elektronik atau buku, jadi ini hanya ide kasar. Mungkin orang lain bisa mengisi detailnya ...

Coba cermin saat ini menggunakan sepasang transistor PNP yang tergantung di Vcc rail. Mengumpankan sinyal tegangan negatif ke sisi input cermin melalui resistor yang sesuai. Arus yang sama kemudian harus mengalir melalui transistor keluaran cermin. Dengan resistor yang dipilih dengan baik Anda membuat rentang tegangan dalam 0V ke Vcc.

EDIT - BARU: Ini adalah skema cermin saat ini. Apapun arus yang melewati transistor T1, T2 akan mencoba membuat aliran arus yang sama. Tegangan negatif yang akan diukur, relatif terhadap catu daya yang saya pilih secara acak menjadi 15v, menciptakan aliran arus melalui R1 (diukur dalam simulasi sebagai "arus input"). Jika R2 sama dengan R1, Anda akan menemukan tegangan yang sama di atasnya, jika diizinkan. Tetapi terhubung ke 0V (gnd) - sirkuit kami murni berdasarkan suplai positif. Ini tidak akan berfungsi kecuali jika kita membuat R2 lebih kecil, katakanlah 1/2 dari R1 maka tegangan melintasinya akan menjadi 1/2 dari apa pun yang melintasi R1. Ukurlah, lakukan matematika (whoo, kalikan dengan 2, susah!) Dan itulah Anda. Skema memiliki nilai yang berbeda teks alternatif, rasio yang berbeda , tetapi saya pikir kita semua dapat menangani matematika untuk ini.

Keuntungan dari ini lebih dari pembagi tegangan sederhana adalah bahwa 1) kelihatannya lebih rumit, 2) ini adalah trik umum dalam desain IC analog. Karena saya menulis jawaban lain menggunakan dioda Zener, saya tidak yakin sekarang mengapa ini lebih baik, tetapi ini merupakan alternatif untuk pembagi tegangan dan mungkin memungkinkan untuk mendapatkan rentang tegangan yang berbeda atau sesuatu. Sekarang saya membiarkan orang lain mengomentari kebijaksanaan atau kebodohan ide ini ... teks alternatif teks alternatif

Sayang
sumber
Saya tidak mengerti apa yang Anda maksud di sini, tautan ke skema akan membantu.
Kevin Boyd
Oke, saya punya waktu sekarang ... dan ketika saya memikirkannya, saya tidak yakin mengapa ini lebih baik daripada beberapa sirkuit yang lebih sederhana kecuali karena desain rinci mungkin bekerja lebih baik secara numerik, mungkin. Skema akan segera dipasang.
DarenW
Pertanyaan lama saya sadari, tapi ... Sirkuit ini bergantung pada tegangan basis-emitor vs kurva arus kolektor dari dua transistor menjadi sama, sehingga arus yang sama mengalir di masing-masing dari dua kolektor transistor. Itu akan menjadi asumsi yang baik dalam IC di mana transistor dapat dibuat agar cocok dengan baik, (dan pada suhu yang sama), tetapi tidak untuk dua transistor diskrit. Rangkaian dapat dibuat kurang sensitif terhadap masalah ini dengan menempatkan resistor yang cocok secara seri dengan emitor.
gwideman
0

Anda bahkan mungkin tidak memerlukan op-amp. Beberapa ADC (seperti MCP3304, lihat lembar data: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21697e.pdf memiliki mode diferensial yang dibangun, di mana ADC mengembalikan perbedaan dua saluran, yang dapat menjadi angka negatif.Jika Anda mengikat satu saluran ke ground (disebut mode diferensial semu), ADC dapat menerima tegangan input negatif di yang lain, dan menerjemahkannya ke angka negatif, semuanya tanpa memerlukan tegangan negatif.

Tentu saja, ini hanya berlaku jika ADC Anda mendukung hal semacam ini. Banyak yang tidak memiliki mode diferensial sama sekali.

dpdt
sumber
1
Sudahkah Anda memeriksa lembar data pada bagian ini? Dari lembar di bagian peringkat maksimum absolut: "Semua input dan output menggunakan VSS ............... -0.3V ke VDD + 0.3V" Itu berarti Anda tidak dapat memiliki negatif tegangan pada input atau pin lain dalam hal ini. Mengapa? karena dioda perlindungan input akan menyala dan mencegah bagian tersebut terbakar. Ini tidak menjawab pertanyaan, pertanyaannya adalah bagaimana saya bisa mengukur tegangan negatif? Anda tidak dapat mengukur tegangan negatif dengan bagian ini.
Voltage Spike
-2

Saya pikir sudah ada jawaban yang sangat bagus, tetapi saya suka memposting pendekatan lain, bahwa saya menggunakan diri saya untuk melakukan hal yang pada dasarnya sama.

Anda bisa menggunakan op-amp instrumenting (seperti LT1167)? Namun Anda akan membutuhkan rel negatif, tetapi tidakkah ini memberikan akurasi lebih? dan juga cara yang lebih baik untuk memperkuat tegangan jika ingin dengan hanya menambahkan satu resistor.

menambahkan rail negatif semudah menambahkan sesuatu seperti minmax MCW03-05D05.

Masalah yang saya miliki dengan menggunakan resistor adalah sangat sulit untuk menemukan resistor identik, yang akan memberi Anda kesalahan yang harus Anda perbaiki.

Nisse
sumber
Itu cara yang cukup mahal untuk melakukan sesuatu yang sederhana.
Matt Young
ya tapi saya rasa itu tergantung pada seberapa baik akurasi yang diinginkan
Nisse
1
Anda mengatakan pada diri sendiri bahwa resistor adalah sumber utama kesalahan. Menggunakan bagian yang lebih mahal, bersama dengan perlu menambahkan semacam rel negatif, tidak memperbaikinya. Menggunakan resistor dengan presisi lebih tinggi lebih masuk akal.
Matt Young
baik, jika tidak ada kebutuhan untuk amplifikasi tidak perlu ada resistor .. Juga itu hanya cara lain untuk melakukannya, saya tidak mengatakan itu cara yang tepat untuk melakukannya untuk aplikasi apa pun, tetapi dalam beberapa kasus mungkin lebih baik menyerah pada tidak menggunakan rel negatif.
Nisse