Làm cách nào để lấy mẫu tín hiệu tương tự -2 V đến +2 V bằng vi điều khiển PIC?

Tôi đang sử dụng một micro PIC với ADC 10 bit để đọc các tín hiệu tương tự có tần số nhỏ hơn 300 hz. Tuy nhiên, tín hiệu tương tự nằm trong phạm vi -2 V và +2 V. Làm cách nào tôi có thể điều chỉnh tín hiệu để đưa nó vào phạm vi có thể sử dụng (giả sử đầu vào của ADC phải dương) Ngoài ra tôi không có cực dương và cung cấp điện âm.

lưu ý quan trọng:
câu trả lời này đã được đăng để giải quyết vấn đề cho đầu vào -20V đến + 20V , vì đó là những gì được hỏi. Đây là một phương pháp thông minh nhưng không hoạt động nếu giới hạn điện áp đầu vào nằm giữa các đường ray.

Bạn sẽ phải chia tỷ lệ điện áp bằng một bộ chia điện trở để bạn có được điện áp trong khoảng -2,5V đến + 2,5V và thêm 2,5V. (Tôi đoán là nguồn cấp điện 5V cho PIC của bạn).

Tính toán sau có vẻ dài, nhưng đó chỉ là do tôi giải thích chi tiết từng bước. Trong thực tế, nó dễ dàng đến mức bạn có thể làm điều đó trong đầu ngay lập tức.

Đầu tiên này:

R1 là điện trở giữa và V O U T , R2 là điện trở giữa + 5 V và V O U T , và R3 là điện trở giữa V O U T và G N D . $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Chúng ta có bao nhiêu ẩn số? Ba, R1, R2 và R3. Không hoàn toàn, chúng ta có thể chọn một giá trị một cách tự do và hai giá trị còn lại phụ thuộc vào giá trị đó. Hãy chọn R3 = 1k. Cách toán học để tìm các giá trị khác là tạo một tập hợp hai phương trình đồng thời từ hai cặp ( , V O U T ) và giải các giá trị điện trở chưa biết. Bất kỳ cặp ( V I N , V O U T ) nào cũng được, nhưng chúng ta sẽ thấy rằng chúng ta có thể đơn giản hóa mọi thứ rất nhiều bằng cách chọn cẩn thận các cặp đó, cụ thể là các giá trị cực trị: ( + 20 V , + 5 V ) và ( $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$ , 0 V ). $-20V$$0V$

Trường hợp đầu tiên: , V O U T = + 5 V Lưu ý rằng (và đây là chìa khóa cho giải pháp!) Cả hai đầu của R2 thấy + 5 V , do đó không có sụt áp, và do đó không có dòng điện qua R2. Điều đó có nghĩa là I R 1 phải giống với I R 3 (KCL). I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
. Chúng ta biết dòng điện qua R 1 và điện áp trên nó, vì vậy chúng ta có thể tính toán điện trở của nó:R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
. Tìm thấy đầu tiên của chúng tôi chưa biết! $R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Trường hợp thứ hai: , V O U T = 0 V Điều tương tự như với R2 xảy ra với R3: không giảm điện áp, do đó không có dòng điện. Một lần nữa theo KCL, bây giờ tôi R 1 = I R 2 . I R 1 = - 20 V - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
. Chúng ta biết dòng điện qua R2 và điện áp trên nó, vì vậy chúng ta có thể tính toán điện trở của nó:R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
. Tìm thấy thứ hai của chúng tôi chưa biết! $R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

Vì vậy, một giải pháp là: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

$R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$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}$

Cách dễ nhất là sử dụng "bộ chia điện trở".

Bạn đã không nói điện áp mà PIC này đang chạy ở mức nào và do đó, phạm vi đầu vào A / D là, vì vậy, hãy sử dụng 5V làm ví dụ. Phạm vi điện áp đầu vào của bạn là 40V và đầu ra 5V, vì vậy bạn cần một cái gì đó suy giảm ít nhất 8. Bạn cũng cần kết quả được đặt ở giữa 1/2 Vdd, là 2,5V, trong khi điện áp đầu vào của bạn ở giữa 0V .

Điều này có thể được thực hiện với 3 điện trở. Một đầu của cả ba điện trở được kết nối với nhau và với chân đầu vào PIC A / D. Đầu kia của R1 đi đến tín hiệu đầu vào, R2 đi đến Vdd và R3 đi xuống đất. Bộ chia điện trở được hình thành bởi R1 và sự kết hợp song song của R2 và R3. Bạn có thể điều chỉnh R2 và R3 để căn giữa phạm vi kết quả ở mức 2,5V, nhưng để đơn giản giải thích điều này, chúng tôi sẽ sống với một chút sự đồng cảm và làm giảm thêm một chút để đảm bảo cả hai đầu được giới hạn trong phạm vi Vss-Vdd.

Giả sử PIC muốn tín hiệu tương tự có trở kháng từ 10 kΩ trở xuống. Một lần nữa để đơn giản, hãy tạo R2 và R3 20 kΩ. Trở kháng cho PIC sẽ không nhiều hơn kết hợp song song của chúng, là 10 kΩ. Để có độ suy giảm là 8, R1 cần phải gấp 7 lần R2 // R3, tức là 70 kΩ. Tuy nhiên, vì kết quả sẽ không đối xứng chính xác, chúng tôi cần suy giảm thêm một chút để đảm bảo -20V sẽ không dẫn đến ít hơn 0V vào PIC. Điều đó thực sự đòi hỏi độ suy giảm là 9, do đó, R1 phải ít nhất 8 lần R2 // R3, tức là 80 kΩ. Giá trị tiêu chuẩn là 82 kΩ sẽ cho phép một số độ dốc và lề nhưng bạn vẫn nhận được hầu hết phạm vi A / D để đo tín hiệu gốc.

Thêm:

Dưới đây là một ví dụ về việc tìm giải pháp chính xác cho một vấn đề tương tự. Điều này không có đồng hóa và có trở kháng đầu ra cụ thể. Dạng giải pháp này luôn có thể được sử dụng khi phạm vi A / D hoàn toàn nằm trong phạm vi điện áp đầu vào.

Đây là mạch tiêu chuẩn cho điều đó. Bạn cần mở rộng các giá trị điện trở cho trở kháng yêu cầu của bạn.

Nếu tín hiệu không phải là DC hoặc nếu tham chiếu DC không quan trọng, tín hiệu có thể được ghép điện dung với đầu vào của ADC.

Ngoài ra, nếu mặt đất của bạn cho PIC nổi, bạn có thể buộc mặt đất tín hiệu của bạn với 1/2 VDD của PIC.

Các mạch sau đây nên thực hiện công việc:

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

Đó là một dải phân cách tiềm năng. Ở -2V, đầu ra sẽ là 0,65V; ở + 2V, 2,65V.

Tất cả nhiễu trên đường ray 3.3V sẽ được chuyển đến đầu vào, vì vậy hãy sử dụng tham chiếu điện áp tốt để giảm sự cố này.

Điều này cũng sẽ làm việc với các nguồn cung cấp khác, nhưng bù đắp sẽ thay đổi.

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

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