Как измерить отрицательное напряжение с помощью АЦП.
Как известно многие современные микроконтроллеры имеют встроенный многоканальный АЦП, как правило, физически АЦП всего один, а многоканальность обеспечивается с помощью мультиплексирования. Диапазон напряжений с которыми может работать АЦП определяют уровни опорных напряжений(+VREF и -VREF), они не должны выходить за диапазон питания микроконтроллера. Диапазон напряжений, питающих микроконтроллер, может быть от 0 до 3.3, либо от 0 до 5 вольт. Отсюда становится понятно что измерять отрицательные напряжения АЦП не может, а это бывает необходимо.
Для измерения отрицательных напряжений с помощью АЦП существует несколько способов, во всех примерах будем считать что -VREF = 0, а +VREF = 5 вольт.
Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -5 до 0.
В таком случае можно применить инвертирующий усилитель, построенный на операционном усилителе(ОУ), с коэффициентом усиления равным -1.
Когда на вход схемы будет приходить -1 вольт, на вход АЦП будет поступать +1 вольт. Если же сигнал, который хотим измерить нужно усилить, достаточно изменить номиналы резисторов R1 и R2.
Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -15 до 0.
В таком случае можно применить сумматор построенный на ОУ
Номиналы резисторов R1 и R2 рассчитываются следующим образом, когда Uвх = -15 вольт, суммарное падение напряжение на резисторах R1 и R2 равно 20 вольт. В этом случае на прямом входе ОУ должно быть 0 вольт, отсюда становится понятно, что на R1 упадёт 5 вольт, а на R2 упадёт 15 вольт, из этого следует, что номиналы резисторов должны соотносится как R2/R1 = 3/1. С другой стороны, так как резисторы соединены последовательно и через них течёт один и тот же ток, можно записать формулу.
Идём дальше, так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь, напряжение на прямом и инверсном выводе должны быть равны. Когда Uвх = 0 на выходе ОУ будет 5 вольт(в данном случае ноль на входе - максимальное значение, значит на выходе должно быть максимальное значение равное 5 вольтам). В это же время на прямом входе ОУ будет 3.75 вольта, и эти же 3.75 будут на инверсном входе. Так как на выходе ОУ 5 вольт, а на инверсном входе 3.75, легко рассчитать соотношение R3 к R4(обычный делитель напряжения).
Предположив, что R1 и R4 равны 10К, получаем
R1 = 10К
R2 = 30К
R3 = 30К
R4 = 10К
Необходимо измерить напряжение, которое может изменяться от -10 до 10 вольт.
Сделать это очень просто, для этого надо создать смещение, чтобы при подаче -10 вольт на вход схемы на входе АЦП было 0 вольт, тогда при подаче 10 вольт на входе АЦП будет 5 вольт.
Реализовать это можно несколькими способами:
Номиналы резисторов рассчитываются очень просто, когда мы подаём на левый вход R2 -10 вольт на его правом выводе должно быть 0 вольт, в таком случае ток через R3 не течёт, так как на его концах отсутствует разность потенциалов.
Ток, протекающий через R2, равен
Ток, протекающий через R1, равен
Так как резисторы R1 и R2 соединены последовательно, то и токи, протекающие через них равны.
Предположим R2 равен 10K, тогда R1 равен 5K.
Осталось рассчитать R3, для этого на левый вывод R2 подадим 10 вольт, при этом на правом выводе должно быть 5 вольт, в таком случае ток через R1 не течёт.
Ток через R2 равен току через R3, получаем
получаем
R1 = 5К
R2 = 10К
R3 = 10К
Минус схемы на резисторах, это то что R2 ограничивает ток, поступающий на вход АЦП и то что любой шум в цепи питания будет попадать на вход АЦП. Хотелось бы обратить внимание на то, что у АЦП есть такой параметр, как входное сопротивление, которое, как правило, зависит от частоты сэмплирования, ниже изображена таблица в которой показано как зависит сопротивление входа от периода преобразования АЦП для STM32
сопротивление источника сигнала должно быть меньше этого значения, а последовательно включеный резистор R2 явно его не уменьшает. Говоря простыми словами за короткий промежуток времени АЦП должно получить достаточный заряд чтобы работать с ним, а резистор, включённый последовательно с входом, не даёт этого сделать.
Этот недостаток можно исправить, собрав схему, которая обладает низким выходным сопротивлением, то есть может отдать большой ток.
И снова нам поможет сумматор на операционном усилителе, как рассчитываются номиналы резисторов описано выше, но суть одна, надо взять два крайних значения, поступающего напряжения, при минимальном значении на выходе ОУ должен быть ноль, при максимальном должно быть 5 вольт(не забываем, что -VREF = 0, а +VREF = 5 вольт). Если необходимо измерять положительное и отрицательное напряжение, в качестве смещения удобно использовать половину опорного напряжения, то есть 2.5 вольта.
Вот что получилось в микрокапе, картинку можно увеличить кликнув по ней.
Схема на ОУ обладает низким выходным сопротивлением, то есть может отдавать большой ток и может быть пересчитана для измерения других напряжений, например, ±2.5 вольта.
В следующей статье мы рассмотрим ещё несколько способов измерения отрицательного напряжения с помощью АЦП.
Для измерения отрицательных напряжений с помощью АЦП существует несколько способов, во всех примерах будем считать что -VREF = 0, а +VREF = 5 вольт.
Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -5 до 0.
В таком случае можно применить инвертирующий усилитель, построенный на операционном усилителе(ОУ), с коэффициентом усиления равным -1.
Когда на вход схемы будет приходить -1 вольт, на вход АЦП будет поступать +1 вольт. Если же сигнал, который хотим измерить нужно усилить, достаточно изменить номиналы резисторов R1 и R2.
Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -15 до 0.
В таком случае можно применить сумматор построенный на ОУ
Номиналы резисторов R1 и R2 рассчитываются следующим образом, когда Uвх = -15 вольт, суммарное падение напряжение на резисторах R1 и R2 равно 20 вольт. В этом случае на прямом входе ОУ должно быть 0 вольт, отсюда становится понятно, что на R1 упадёт 5 вольт, а на R2 упадёт 15 вольт, из этого следует, что номиналы резисторов должны соотносится как R2/R1 = 3/1. С другой стороны, так как резисторы соединены последовательно и через них течёт один и тот же ток, можно записать формулу.
Идём дальше, так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь, напряжение на прямом и инверсном выводе должны быть равны. Когда Uвх = 0 на выходе ОУ будет 5 вольт(в данном случае ноль на входе - максимальное значение, значит на выходе должно быть максимальное значение равное 5 вольтам). В это же время на прямом входе ОУ будет 3.75 вольта, и эти же 3.75 будут на инверсном входе. Так как на выходе ОУ 5 вольт, а на инверсном входе 3.75, легко рассчитать соотношение R3 к R4(обычный делитель напряжения).
Предположив, что R1 и R4 равны 10К, получаем
R1 = 10К
R2 = 30К
R3 = 30К
R4 = 10К
Необходимо измерить напряжение, которое может изменяться от -10 до 10 вольт.
Сделать это очень просто, для этого надо создать смещение, чтобы при подаче -10 вольт на вход схемы на входе АЦП было 0 вольт, тогда при подаче 10 вольт на входе АЦП будет 5 вольт.
Реализовать это можно несколькими способами:
- на резисторах
Номиналы резисторов рассчитываются очень просто, когда мы подаём на левый вход R2 -10 вольт на его правом выводе должно быть 0 вольт, в таком случае ток через R3 не течёт, так как на его концах отсутствует разность потенциалов.
Ток, протекающий через R2, равен
Ток, протекающий через R1, равен
Так как резисторы R1 и R2 соединены последовательно, то и токи, протекающие через них равны.
Предположим R2 равен 10K, тогда R1 равен 5K.
Осталось рассчитать R3, для этого на левый вывод R2 подадим 10 вольт, при этом на правом выводе должно быть 5 вольт, в таком случае ток через R1 не течёт.
Ток через R2 равен току через R3, получаем
получаем
R1 = 5К
R2 = 10К
R3 = 10К
Минус схемы на резисторах, это то что R2 ограничивает ток, поступающий на вход АЦП и то что любой шум в цепи питания будет попадать на вход АЦП. Хотелось бы обратить внимание на то, что у АЦП есть такой параметр, как входное сопротивление, которое, как правило, зависит от частоты сэмплирования, ниже изображена таблица в которой показано как зависит сопротивление входа от периода преобразования АЦП для STM32
сопротивление источника сигнала должно быть меньше этого значения, а последовательно включеный резистор R2 явно его не уменьшает. Говоря простыми словами за короткий промежуток времени АЦП должно получить достаточный заряд чтобы работать с ним, а резистор, включённый последовательно с входом, не даёт этого сделать.
Этот недостаток можно исправить, собрав схему, которая обладает низким выходным сопротивлением, то есть может отдать большой ток.
- сумматор на операционном усилителе
И снова нам поможет сумматор на операционном усилителе, как рассчитываются номиналы резисторов описано выше, но суть одна, надо взять два крайних значения, поступающего напряжения, при минимальном значении на выходе ОУ должен быть ноль, при максимальном должно быть 5 вольт(не забываем, что -VREF = 0, а +VREF = 5 вольт). Если необходимо измерять положительное и отрицательное напряжение, в качестве смещения удобно использовать половину опорного напряжения, то есть 2.5 вольта.
Вот что получилось в микрокапе, картинку можно увеличить кликнув по ней.
Схема на ОУ обладает низким выходным сопротивлением, то есть может отдавать большой ток и может быть пересчитана для измерения других напряжений, например, ±2.5 вольта.
В следующей статье мы рассмотрим ещё несколько способов измерения отрицательного напряжения с помощью АЦП.
Похожие статьи
