Bagaimana saya mencicipi sinyal analog -2 V hingga +2 V dengan mikrokontroler PIC?

Saya menggunakan mikro PIC dengan ADC 10bit untuk mengambil bacaan dari sinyal analog dengan frekuensi kurang dari 300 hz. Namun sinyal analog berada dalam kisaran -2 V dan +2 V. Bagaimana saya mengkondisikan sinyal untuk masuk ke rentang yang dapat digunakan (dengan asumsi input ke ADC harus positif) Juga saya tidak memiliki positif dan catu daya negatif.

Catatan penting:
jawaban ini diposting untuk menyelesaikan masalah untuk -20V hingga + 20V input, karena itulah yang ditanyakan. Ini adalah metode yang cerdas tetapi tidak berfungsi jika batas tegangan input tetap di antara rel.

Anda harus mengukur tegangan dengan pembagi resistor sehingga Anda mendapatkan tegangan antara -2.5V dan + 2.5V, dan tambahkan 2.5V. (Saya anggap catu daya 5V untuk PIC Anda).

Perhitungan berikut terlihat panjang, tetapi itu hanya karena saya menjelaskan setiap langkah secara terperinci. Pada kenyataannya sangat mudah bahwa Anda dapat melakukannya di kepala Anda dalam waktu singkat.

Pertama ini:

R1 adalah resistor antara dan V O U T , R2 adalah resistor antara + 5 V dan V O U T , dan R3 adalah resistor antara V O U T dan G N D . $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Berapa banyak yang tidak diketahui yang kita miliki? Tiga, R1, R2 dan R3. Tidak cukup, kita dapat memilih satu nilai secara bebas, dan dua lainnya bergantung pada yang itu. Mari kita pilih R3 = 1k. Cara matematika untuk menemukan nilai-nilai lain adalah dengan membuat satu set dua persamaan simultan dari dua pasangan ( , V O U T ), dan menyelesaikan untuk nilai-nilai resistor yang tidak diketahui. Setiap pasangan ( V I N , V O U T ) akan melakukannya, tetapi kita akan melihat bahwa kita dapat menyederhanakan banyak hal dengan memilih dengan cermat pasangan-pasangan itu, yaitu nilai ekstrim: ( + 20 V , + 5 V ) dan ( $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$ , 0 V ). $-20V$$0V$

Kasus pertama: , V O U T = + 5 V Perhatikan bahwa (dan ini adalah kunci dari solusi!) Kedua ujung R2 lihat + 5 V , jadi tidak ada penurunan tegangan, dan oleh karena itu tidak ada arus melalui R2. Itu berarti bahwa I R 1 harus sama dengan I R 3 (KCL). I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
. Kita tahu arus melalui R1, dan juga tegangan di atasnya, sehingga kita bisa menghitung resistansi:R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
. Ditemukan yang tidak diketahui pertama kami! $R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Kasus kedua: , V O U T = 0 V Hal yang sama dengan R2 terjadi sekarang dengan R3: tidak ada drop tegangan, jadi tidak ada arus. Sekali lagi menurut KCL, sekarang I R 1 = I R 2 . I R 1 = - 20 V - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
. Kami tahu arus melalui R2, dan juga tegangan di atasnya, sehingga kami dapat menghitung resistansinya:R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
. Ditemukan tidak diketahui kedua kami! $R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

Jadi solusinya adalah: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

$R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

$V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$$\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

$V_{OUT}$$V_{OUT}$

Cara termudah adalah dengan menggunakan "pembagi resistor".

Anda tidak mengatakan pada tegangan apa PIC ini bekerja dan oleh karena itu rentang input A / D adalah, jadi mari kita gunakan 5V sebagai contoh. Kisaran tegangan input Anda adalah 40V, dan output 5V, sehingga Anda memerlukan sesuatu yang setidaknya dilemahkan oleh 8. Anda juga perlu hasilnya dipusatkan pada 1/2 Vdd, yaitu 2.5V, sedangkan tegangan input Anda dipusatkan pada 0V .

Ini dapat dicapai dengan 3 resistor. Satu ujung dari ketiga resistor dihubungkan bersama dan ke pin input PIC A / D. Ujung R1 yang lain menuju ke sinyal input, R2 ke Vdd, dan R3 ke ground. Pembagi resistor dibentuk oleh R1 dan kombinasi paralel dari R2 dan R3. Anda dapat menyesuaikan R2 dan R3 untuk memusatkan rentang yang dihasilkan pada 2.5V, tetapi untuk menjelaskannya secara sederhana kita akan hidup dengan sedikit asimetri dan melemahkan sedikit lebih untuk memastikan kedua ujungnya terbatas pada rentang Vss-Vdd.

Katakanlah PIC ingin sinyal analog memiliki impedansi 10 kΩ atau kurang. Sekali lagi untuk kesederhanaan, mari kita buat R2 dan R3 20 kΩ. Impedansi yang memberi PIC tidak lebih dari kombinasi paralelnya, yaitu 10 kΩ. Untuk mendapatkan redaman 8, R1 harus 7 kali R2 // R3, yaitu 70 kΩ. Namun, karena hasilnya tidak akan persis simetris, kita perlu melemahkan sedikit lebih untuk memastikan -20V tidak akan menghasilkan kurang dari 0V ke dalam PIC. Itu sebenarnya membutuhkan pelemahan dari 9, jadi R1 harus setidaknya 8 kali R2 // R3, yaitu 80 kΩ. Nilai standar 82 kΩ akan memungkinkan untuk beberapa slop dan margin tetapi Anda masih mendapatkan sebagian besar kisaran A / D untuk mengukur sinyal asli.

Ditambahkan:

Berikut adalah contoh untuk menemukan solusi tepat untuk masalah serupa. Ini tidak memiliki asimetri dan memiliki impedansi keluaran yang ditentukan khusus. Bentuk solusi ini selalu dapat digunakan ketika rentang A / D sepenuhnya berada dalam kisaran tegangan input.

Ini adalah sirkuit standar untuk itu. Anda perlu mengukur nilai resistor untuk impedansi yang Anda butuhkan.

Jika sinyal bukan DC, atau jika referensi DC tidak penting, sinyal dapat digabungkan secara kapasitif ke input ADC.

Atau, jika ground Anda untuk PIC melayang, Anda dapat mengikat ground sinyal Anda ke 1/2 VDD dari PIC.

Sirkuit berikut harus melakukan pekerjaan:

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

Ini pembagi potensial. Pada -2V, output akan menjadi 0,65V; pada + 2V, 2.65V.

Semua kebisingan pada rel 3.3V akan ditransfer ke input, jadi gunakan referensi tegangan yang baik untuk mengurangi masalah ini.

Ini akan bekerja dengan persediaan lain juga, tetapi offset akan bergeser.

$V_{ADCREF-}$
$V_{ADC}$$V_{DD}$$V_{ADC}$$V_{ADCREF+}$

$V_{DD}$$\frac{2V}{3.3V}$$V_{ADC}$