Come campionare un segnale analogico da -2 V a +2 V con un microcontrollore PIC?

Sto usando un micro PIC con un ADC a 10 bit per ottenere letture da un segnale analogico con una frequenza inferiore a 300 hz. Tuttavia, quel segnale analogico è compreso tra -2 V e +2 V. Come posso condizionare il segnale per portarlo in un intervallo utilizzabile (supponendo che l'ingresso all'ADC debba essere positivo) Inoltre non ho un positivo e alimentazione negativa.

nota importante:
questa risposta è stata pubblicata per risolvere il problema per input da -20 V a +20 V , perché era quello che era stato chiesto. È un metodo intelligente ma non funziona se il limite di tensione in ingresso rimane tra le rotaie.

Dovrai ridimensionare la tensione con un divisore di resistenza in modo da ottenere una tensione compresa tra -2,5 V e + 2,5 V e aggiungere 2,5 V. (Presumo un alimentatore da 5 V per il tuo PIC).

Il seguente calcolo sembra lungo, ma è solo perché spiego dettagliatamente ogni passaggio. In realtà è così facile che puoi farlo in testa in pochissimo tempo.

Innanzitutto questo:

R1 è il resistore tra e V O U T , R2 è il resistore tra + 5 V e e R3 è il resistore tra e . $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$ V O U T G N $V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Quante incognite abbiamo? Tre, R1, R2 e R3. Non del tutto, possiamo scegliere liberamente un valore e gli altri due dipendono da quello. Scegliamo R3 = 1k. Il modo matematico per trovare gli altri valori è creare un insieme di due equazioni simultanee da due coppie ( , ) e risolvere i valori di resistenza sconosciuti. Qualsiasi coppia ( , ) lo farà, ma vedremo che possiamo semplificare tremendamente le cose scegliendo attentamente quelle coppie, vale a dire i valori estremi: ( , ) e ( , ). V O U T V I N V O U T + 20 V + 5 V - 20 V 0 $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$$-20V$$0V$

Primo caso: , Nota che (e questa è la chiave della soluzione!) Entrambe le estremità di R2 vedono , quindi non c'è caduta di tensione e quindi nessuna corrente passante R2. Ciò significa che deve essere uguale a (KCL). . Conosciamo la corrente attraverso R1 e anche la tensione su di essa, quindi possiamo calcolarne la resistenza: . Trovato il nostro primo sconosciuto! V O U T = + 5 V + 5 V I R 1 I R 3 I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
$R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Secondo caso: , La stessa cosa che succede con R2 ora accade con R3: nessuna caduta di tensione, quindi nessuna corrente. Ancora secondo KCL, ora = . . Conosciamo la corrente attraverso R2 e anche la tensione su di essa, quindi possiamo calcolare la sua resistenza: . Trovato il nostro secondo sconosciuto! V O U T = 0 V I R 1 I R 2 I R 1 = - 20 V - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
$R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

Quindi una soluzione è: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

Come ho detto, è importante solo il rapporto tra questi valori, quindi potrei anche scegliere . Possiamo verificare questa soluzione con un'altra coppia ( , ), ad es. ( , ). R1 e R3 sono ora paralleli (entrambi hanno + 2,5 V-0 V su di essi, quindi quando calcoliamo il loro valore combinato troviamo , esattamente il valore di R2 e il valore di cui avevamo bisogno per ottenere da ! Quindi la nostra soluzione è davvero corretta. [Il timbro QC va qui]V I N V O U T 0 V 2,5 V 0,75 k Ω + 2,5 V + 5 $R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

L'ultima cosa da fare è connettere all'ADC del PIC. Gli ADC hanno spesso resistenze di ingresso piuttosto basse, quindi questo può disturbare il nostro equilibrio attentamente calcolato. Niente di cui preoccuparsi, tuttavia, dobbiamo semplicemente aumentare R3 in modo che . Supponiamo che , quindi Da questo troviamo . R 3 / / R A D C = 1 k Ω R A D C = 5 k Ω $V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$ R3=1,25k$\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

modifica
OK, è stato intelligente e molto semplice, anche se lo dico io. ;-) Ma perché non dovrebbe funzionare se la tensione di ingresso rimane tra le guide? Nelle situazioni precedenti abbiamo sempre avuto un resistore che non aveva corrente che lo attraversava, in modo che, in seguito a KCL, la corrente che entrava nel nodo attraverso un resistore usciva dall'altro. Ciò significava che una tensione doveva essere superiore a e l'altra inferiore. Se entrambe le tensioni sono inferiori, la corrente fluirebbe solo da quel nodo e KCL lo proibirà. V O U $V_{OUT}$$V_{OUT}$

Il modo più semplice è utilizzare un "divisore di resistori".

Non hai detto a quale tensione sta funzionando questo PIC e quindi la gamma di input A / D è, quindi usiamo 5V per l'esempio. La gamma di tensione in ingresso è 40 V e l'uscita 5 V, quindi è necessario qualcosa che si attenua di almeno 8. È inoltre necessario che il risultato sia centrato su 1/2 Vdd, ovvero 2,5 V, mentre la tensione in ingresso è centrata su 0 V .

Questo può essere realizzato con 3 resistori. Un'estremità di tutte e tre le resistenze sono collegate insieme e al pin di ingresso A / D PIC. L'altra estremità di R1 va al segnale di ingresso, R2 va a Vdd e R3 va a terra. Il divisore del resistore è formato dall'R1 e dalla combinazione parallela di R2 e R3. Puoi regolare R2 e R3 per centrare l'intervallo risultante a 2,5 V, ma per semplicità spiegando questo vivremo con un po 'di assimetria e attenueremo un po' di più per assicurarti che entrambe le estremità siano limitate all'intervallo Vss-Vdd.

Supponiamo che il PIC desideri che il segnale analogico abbia un'impedenza di 10 kΩ o inferiore. Ancora una volta per semplicità, facciamo R2 e R3 20 kΩ. L'impedenza che alimenta il PIC non sarà altro che la combinazione parallela di quelli, che è 10 kΩ. Per ottenere l'attenuazione di 8, R1 deve essere 7 volte R2 // R3, che è 70 kΩ. Tuttavia, poiché il risultato non sarà esattamente simmetrico, dobbiamo attenuare un po 'di più per assicurarci che -20V non comporti meno di 0V nel PIC. Ciò richiede effettivamente l'attenuazione di 9, quindi R1 deve essere almeno 8 volte R2 // R3, che è 80 kΩ. Il valore standard di 82 kΩ consentirà un po 'di inclinazione e margine, ma otterrai comunque la maggior parte dell'intervallo A / D per misurare il segnale originale.

Inserito il:

Ecco un esempio di come trovare la soluzione esatta a un problema simile. Questo non ha assimetria e ha un'impedenza di uscita specifica specificata. Questa forma di soluzione può sempre essere utilizzata quando l'intervallo A / D rientra interamente nell'intervallo della tensione di ingresso.

Questo è il circuito standard per quello. È necessario ridimensionare i valori della resistenza per l'impedenza richiesta.

Se il segnale non è DC o se un riferimento DC non è importante, il segnale può essere accoppiato in modo capacitivo all'ingresso dell'ADC.

In alternativa, se la massa del PIC è mobile, è possibile collegare la massa del segnale a 1/2 VDD del PIC.

Il seguente circuito dovrebbe fare il lavoro:

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

È un potenziale divisore. A -2 V, l'uscita sarà 0,65 V; a + 2 V, 2,65 V.

Tutto il rumore sulla guida 3.3V verrà trasferito all'ingresso, quindi utilizzare un buon riferimento di tensione per ridurre questo problema.

Funzionerà anche con altri materiali di consumo, ma l'offset si sposterà.

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

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