Как преобразовать аналоговые входы с [-15, +15 В] в [0, +3,3 В] без шин ± 15 В? [дубликат]

Заголовок говорит сам за себя, но для обеспечения некоторого контекста: цель здесь — разработать 12-канальную систему АЦП. Входные сигналы варьируются от -15 до +15В. Система сбора данных, вероятно, будет средней/большой Arduino, но это не является ограничением.

Ограничения:

  • Высокий входной импеданс (исключается даунскейлинг через резисторные цепи)

  • Небольшая занимаемая площадь (с учетом 12-кратного количества), малое количество деталей. Попытка максимально упростить сборку для любителя.

  • В наличии только источники питания: +3.3В (микроконтроллер), +5В (зарядник USB), +12-14В "автомобильный", нерегулируемый.

  • Использование мультиплексора I2C 12-к-1 в качестве первого этапа является вариантом, и это может освободить много места, но это не мой предпочтительный вариант.

Экзотические ИС, которые легко получить от основных поставщиков, являются честной игрой.

Цель — около 20 сборов данных в секунду с максимально синхронными сборами данных по различным каналам. Требования к точности низкие: достаточно +/- 50 мВ (на источнике) в соответствии с 10-12-битным АЦП.

Я пробовал странные конфигурации с операционным усилителем в суммирующей конфигурации, но у меня закончились идеи.

Спасибо

Просто прочитав заголовок вопроса, я был готов сказать MAX [3] 232, но я не думаю, что они оптимизируют их для своих аналоговых характеристик :)
Высокого импеданса можно добиться с помощью резисторных цепей, используя резисторы с «очень высоким» сопротивлением, такие как ГОм. Что вы подразумеваете под «высоким сопротивлением» с точки зрения тока утечки или нагрузки, то есть реальных цифр, а не расплывчатых прилагательных.
Вы можете использовать оптопару - аналоговый вход управляет светодиодом, индуцирующим ток/напряжение в фотодиоде, который затем измеряется микроконтроллером. Поскольку направление тока может меняться, вам может понадобиться две оптопары на вход. Для этого доступно несколько компонентов - ваш выбор зависит от стоимости, точности и т. д. Резистор, включенный последовательно со светодиодом, будет поддерживать его ток в определенных пределах, убедитесь, что допустимое обратное напряжение достаточно велико.
@Neil_UK: это правильный комментарий, особенно с учетом того, что я рассматриваю возможность суммирования операционных усилителей, которые можно рассматривать как делительные сети. Дело в том, что я не уверен в характеристиках схемы, за которой буду следить, и сомневаюсь, что когда-нибудь смогу их вычислить. Моя цель в этом проекте — воспроизвести характеристики дешевого вольтметра, т. е. чего-то, что имеет достаточно высокий импеданс, чтобы просто не беспокоиться об этом, и при этом иметь некоторую помехоустойчивость.
@le_top: спасибо за ваш вклад, но если я что-то не упустил, ваше решение не сможет измерить что-либо в диапазоне от -0,5 до 0,5 В, поскольку ни одна оптопара не будет работать в этом диапазоне.
Предположим, что найти оптопару, работающую в этом диапазоне, по крайней мере сложно, можно использовать шину GND для одной оптопары и шину VCC для другой (или другие более известные источники опорного напряжения). Таким образом, 0 В вызовет проводимость оптопары, подключенной к VCC (или другому положительному напряжению, такому как опорное напряжение, работающее от источника питания 12–14 В). Вам просто нужно вычесть разницу после аналого-цифрового преобразования.

Ответы (2)

Это забавная проблема, но, к счастью, вы не первый, кто сталкивается с этим. Высокоскоростные АЦП, как правило, требовательны к входному сигналу, а высокоскоростные драйверы АЦП часто изготавливаются в процессах с низким напряжением, а это означает, что прием высоковольтного входа требует некоторой гимнастики, для которой резисторные делители не подходят из-за проблемы управления импедансом на высоких скоростях. Вместо этого полностью дифференциальные усилители могут использоваться в качестве аттенюаторов даже для входных сигналов, которые сами по себе находятся за пределами входного CMVR полностью дифференциального усилителя.

Основываясь на процедурах из этих двух приложений, мы получаем топологию схемы, которая выглядит так:

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

В этой схеме U1, C1, C2 и R1-R5 образуют несимметричный «дифференциальный» аттенюатор с очень высоким входным импедансом (задается R3 и R4 = 10 МОм) и соотношением V/V, равным 1/10, задаваемым Пара отношений R1/R3 и R2/R4 от 1 до 10. R5 (Rt в приложении) регулирует усиление шума U1 до 2 для поддержания стабильности в соответствии с формулой

р ф "=" р г ∥ р т 2 ,
C1 обеспечивает локальную развязку для U1, а C2 удерживает радиочастотные помехи от входа с высоким импедансом, формируя угол около 8 Гц с R3, чтобы поддерживать полосу пропускания Найквиста ниже частоты дискретизации 20SPS.

Выбранный полностью дифференциальный усилитель THS4531A продается примерно за 3 доллара США поштучно в простой для пайки 8-выводной SOIC и обеспечивает очень низкий входной ток смещения и потребляемую мощность, а также диапазоны синфазного сигнала на входе и выходе до V-. . Резисторы R1-R5 должны быть чип-резисторами с сопротивлением 1% или лучше (толстая пленка 1% — это нормально, но если вы можете получить лучший допуск/соответствие по дешевке, сделайте это), а C2 должен быть стабильным (пленочным, C0G) конденсатором — THS4531A быстрая часть (GBW 36 МГц) и будет счастливо запихивать RFI в ваш АЦП в течение всего дня, если вы не будете осторожны с компоновкой и развязкой/фильтрацией.

Схема в пунктирной рамке, а именно U2 и C3-C5, обеспечивает стабильное опорное напряжение 1,65 В для синфазного питания U1 — оно может быть общим для всех каналов, а также обеспечивает стабильное опорное напряжение 3,3 В, которое можно подавать на АЦП Vref (вместо использования предположительно шумного питания логики). REF2033 стоит около 3,50 долларов США в комбинезоне и поставляется в слегка хитроумном корпусе SOT-23-5 ; если предпочтительнее обычный SOT-23 или REF2033 оказывается слишком дорогим, ISL21080-1.5вместо этого можно использовать, чтобы сбросить пару долларов с BoM - в этом случае C5 опускается, C3 становится конденсатором 2,2 нФ (пленка или C0G), поскольку выходной каскад микромощности ISL21080 не может стабильно управлять 100 нФ, а опорное напряжение 3,3 В вывод больше не доступен. Использование опорного напряжения 1,5 В также помещает выходной диапазон в 0-3 В вместо диапазона 150 мВ-3,15 В, обеспечиваемого показанной схемой; последний обеспечивает более линейную производительность по сравнению с THS4531A в нижней части выходного диапазона, а также позволяет избежать любой нелинейности в нижней части любого используемого АЦП.

Спасибо, что нашли время написать такой подробный ответ. Несмотря на то, что я не совсем понимаю это (дифференциальные операционные усилители для меня новы), вы предоставили все ссылки, необходимые для завершения моего обучения. Снимаю шляпу.

Хотя OP говорит, что нет сетей резисторных делителей, в комментарии он говорит, что стремится воспроизвести возможности дешевого мультиметра. Обычно они имеют входное сопротивление 10 МОм (хотя вы можете найти 1 МОм, если вы идете очень дешево).

Итак, чтобы получить +/- 15 В до 0/3,3 В с входом 10 МОм, вы можете использовать этот делитель 10: 1.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Входное сопротивление находится где-то между 10 и 11 МОм, в зависимости от входного сопротивления вашего АЦП.

Выходное сопротивление составляет от 1 МОм до 1,1 МОм, в зависимости от сопротивления измеряемой точки.

Вы говорите, что хотите 20 показаний в секунду, что составляет одно каждые 50 мс. Если мы хотим, чтобы показания «полностью» установились (скажем, 5 постоянных времени) после ступенчатого изменения на входе, то емкостная нагрузка, которую управляет этот делитель, должна быть ограничена до 10 нФ, что даст максимальную постоянную времени 10 мс. Никакие нагрузки не будут случайно иметь такую ​​большую емкость на входе, только фильтры. Если вам нужен фильтр нижних частот на входе, то 10 нФ не повлияют на динамику при 20 показаниях в секунду, конденсаторы большего размера дадут лучшую фильтрацию и более медленный отклик.

Некоторые АЦП могут справиться с входным сопротивлением 1 МОм как есть, некоторые могут справиться с этим входным сопротивлением, если у них есть конденсатор на землю, чтобы справиться с пиками тока (обычно 10 нФ достаточно), а некоторым потребуется источник с гораздо меньшим сопротивлением. Если дело в последнем, то за этим делителем следует буферный усилитель. Поскольку у вас нет отрицательных шин, это должен быть как минимум операционный усилитель с «приводом к земле», такой как, скажем, LM324 (очень дешевый), работающий между +12 В и землей, или низковольтный усилитель между шинами, работающий от +3,3 В, например MC33202, 75р за дуал из КПК.

Принято во внимание - можно получить высокий входной импеданс с помощью сети резисторов. Спасибо, что доказали, что я не прав. Если бы я мог принять несколько ответов, я бы это сделал.
@jmr вы всегда можете отменить ответ, если хотите выбрать другой, более простой ответ с входным резистором 10 МОм как принятый ;-)
Как преобразовать аналоговые входы с [-15, +15 В] в [0, +3,3 В] без шин ± 15 В? [дубликат]
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v