Как измерить отрицательное напряжение с помощью АЦП, продолжение...
В прошлой статье мы рассмотрели несколько способов измерения отрицательного напряжения с помощью АЦП, в этой предлагаю рассмотреть ещё несколько способов, которые заслуживают внимания. Один из них можно увидеть в популярном сейчас конструкторе DSO138.
Как видно, в этой схеме не используется сумматор, но принцип работы схемы тот же, что описан в прошлой статье. Давайте вспомним его, необходимо задать смещение, равное половине динамического диапазона АЦП(в данном случае от 0 до 3.2), то есть когда на вход ОУ приходит 0 вольт, на выходе должно быть 1.6 вольта(это можно увидеть на схеме, пометка с двумя звёздочками). Дальше разработчики сделали так, по крайней мере, похоже на то, когда на вход ОУ приходит -0.8 вольта на выходе 0,07 вольта, а когда приходит 0.8 вольта, на выходе 3.27 вольта. В таком случае динамический диапазон АЦП составляет 3.2 вольта и видно, что напряжение 1.6 вольта не является его серединой, но для нас это не принципиально, нас больше интересует данный способ измерения.
Предлагаю смоделировать ситуацию, в которую попали инженеры, у них была схема, но не было номиналов резисторов(подобную схему встречал и в других моделях осциллографов, иногда она модернизирована и отрицательное напряжение получают с помощью шима и ОУ).
Пусть на прямой вход приходит 0 вольт, тогда на инвертирующем должно быть столько же, на выходе ОУ будет 1.6 вольта. В таком случае ток через R11 не течёт, нет разности потенциалов. Получается, что ноль на инвертирующем входе формирует делитель напряжения образованный R9 и R10.
На схеме видно, что падение напряжения на R10 в 3.125 раза больше чем падение на R9, так как резисторы соединены последовательно, следовательно их сопротивления относятся примерно как R10/R9 = 3/1. Предположим, что R9 = 1K, а R10 = 3K.
Пусть на прямой вход ОУ приходит 0,8 вольта, на инверсном будет столько же, а на выходе ОУ будет 3.27 вольта. На R9 в такой ситуации будет падать 2.47 вольта и протекать ток равный 2.47mA.
Дальше этот ток разделится и потечёт через R10 и R11.
Давайте рассмотрим какой ток будет протекать через R10.
Ток протекающий через R11 равен разности токов через R9 и R10.
Разделим 0.8 вольта на 0.54mA и получим номинал R11
Смотрим на схему и видим, что полученное значение немного отличается от действительного(1.5K), одна из причин этому то, что мы не учитывали напряжение смещения ОУ.
Давайте промоделируем схему в микрокапе при разных входных напряжениях.
Картинки выше подтверждают расчёты, единственной загадкой остаётся, почему в схеме пишут, что при подаче 0 вольт на вход ОУ, на его выходе будет 1.6 вольта.
P.S По ходу вычислений было сделано два приближения, первое - то что R10/R9 = 3, хотя у нас получилось 3.125, второе - то что при расчётах не было учтено напряжение смещения ОУ. В общем такой результат нельзя назвать положительным, поэтому попросил знакомого, у которого есть DSO138 , что бы он измерил напряжение на выходе ОУ в режиме GND(ну не может быть там 1.6 вольта думал я). И действительно, в режиме GND на выходе ОУ оказалось 1.67 вольта и это всё ставит на свои места. Исправлять расчёты в статье не буду, но каждый желающий может сделать это самостоятельно, так как теперь знает методику расчёта.
Как видно, в этой схеме не используется сумматор, но принцип работы схемы тот же, что описан в прошлой статье. Давайте вспомним его, необходимо задать смещение, равное половине динамического диапазона АЦП(в данном случае от 0 до 3.2), то есть когда на вход ОУ приходит 0 вольт, на выходе должно быть 1.6 вольта(это можно увидеть на схеме, пометка с двумя звёздочками). Дальше разработчики сделали так, по крайней мере, похоже на то, когда на вход ОУ приходит -0.8 вольта на выходе 0,07 вольта, а когда приходит 0.8 вольта, на выходе 3.27 вольта. В таком случае динамический диапазон АЦП составляет 3.2 вольта и видно, что напряжение 1.6 вольта не является его серединой, но для нас это не принципиально, нас больше интересует данный способ измерения.
Предлагаю смоделировать ситуацию, в которую попали инженеры, у них была схема, но не было номиналов резисторов(подобную схему встречал и в других моделях осциллографов, иногда она модернизирована и отрицательное напряжение получают с помощью шима и ОУ).
Пусть на прямой вход приходит 0 вольт, тогда на инвертирующем должно быть столько же, на выходе ОУ будет 1.6 вольта. В таком случае ток через R11 не течёт, нет разности потенциалов. Получается, что ноль на инвертирующем входе формирует делитель напряжения образованный R9 и R10.
На схеме видно, что падение напряжения на R10 в 3.125 раза больше чем падение на R9, так как резисторы соединены последовательно, следовательно их сопротивления относятся примерно как R10/R9 = 3/1. Предположим, что R9 = 1K, а R10 = 3K.
Пусть на прямой вход ОУ приходит 0,8 вольта, на инверсном будет столько же, а на выходе ОУ будет 3.27 вольта. На R9 в такой ситуации будет падать 2.47 вольта и протекать ток равный 2.47mA.
Дальше этот ток разделится и потечёт через R10 и R11.
Давайте рассмотрим какой ток будет протекать через R10.
I10 = (0.8 - (-5))/3000 = 1.93mA
Ток протекающий через R11 равен разности токов через R9 и R10.
I11 = 2.47 - 1.93 = 0.54mA
Разделим 0.8 вольта на 0.54mA и получим номинал R11
R11 = 0.8/0.54 = 1.48K
Смотрим на схему и видим, что полученное значение немного отличается от действительного(1.5K), одна из причин этому то, что мы не учитывали напряжение смещения ОУ.
Давайте промоделируем схему в микрокапе при разных входных напряжениях.
Картинки выше подтверждают расчёты, единственной загадкой остаётся, почему в схеме пишут, что при подаче 0 вольт на вход ОУ, на его выходе будет 1.6 вольта.
P.S По ходу вычислений было сделано два приближения, первое - то что R10/R9 = 3, хотя у нас получилось 3.125, второе - то что при расчётах не было учтено напряжение смещения ОУ. В общем такой результат нельзя назвать положительным, поэтому попросил знакомого, у которого есть DSO138 , что бы он измерил напряжение на выходе ОУ в режиме GND(ну не может быть там 1.6 вольта думал я). И действительно, в режиме GND на выходе ОУ оказалось 1.67 вольта и это всё ставит на свои места. Исправлять расчёты в статье не буду, но каждый желающий может сделать это самостоятельно, так как теперь знает методику расчёта.
Похожие статьи
