Pegelverschiebung eines +/- 2.5V Signals auf 0 - 5V

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Ich habe ein Front-End-Modul, das ein (EKG-) Signal erzeugt, das von +/- 2,5 V variiert. Ich möchte dieses Signal auf 0 - 5 V verschieben. Wie geht das am besten? Wäre ein Summierverstärker wie der unten gezeigte gut genug? Mit R1 = R2 und V1 = 2.5V ist V2 = mein Signal, V3 = V4 = GND

Summierverstärker

govind m
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Antworten:

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Das erste, was Sie versuchen sollten, ist ein einfacher Widerstandsaddierer ohne Operationsverstärker. Aber es ist klar, dass dies hier nicht funktioniert: Ein Widerstandsaddierer dämpft das Signal immer, und wir brauchen eine Verstärkung von 1 . ×

Bildbeschreibung hier eingeben

Dies ist ein nicht invertierender Summierverstärker. Sie würden denken, dass wir einfach 2,5 V hinzufügen müssen, aber haben Sie das? Ich gehe davon aus, dass Sie 5 V haben. Lassen Sie uns das also verwenden und sehen, wo es uns hinbringt. Wenn am Vin-Eingang -2,5 V anliegen, sollte der nicht invertierende Eingang Null sein, wenn Sie 0 V ausgeben möchten, unabhängig von den Werten von R3 und R4. Also bilden R1 und R2 einen Spannungsteiler, und R2 sollte zweimal R1 sein, um die 0 V zu erhalten.

Als nächstes müssen wir die Verstärkung finden, die durch R3 und R4 bestimmt wird:

EINV=R3+R4R3

Wenn am Vin-Eingang 2,5 V anliegen und R2 = 2 R1, erhalten wir am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3,33 V. Um diese 5 V auszulösen, müssen wir um 1,5 verstärken, also muss R3 zweimal R4 sein.×

Wir könnten die folgenden Werte verwenden:

R1 = 10 kΩ
R2 = 20 kΩ
R3 = 20 kΩ
R4 = 10 kΩ

Sie benötigen einen RRIO-Operationsverstärker (Rail-to-Rail I / O), um die Stromversorgung über eine einzige 5-V-Versorgung zu gewährleisten.

stevenvh
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Vielen Dank für Ihre Schaltung, aber ich finde, dass ich 2,5 V an R2 anstelle von 5 V geben muss, damit die Schaltung funktioniert. Ich
bin
@govindm - Nein, die Berechnung sagt 5 V :-). Sind Sie sicher, dass Sie nicht dieselben Werte für R1 und R2 verwendet haben?
Stevenvh
Ups sorry Steven, dummer Fehler meinerseits. Ich hatte r1 und r2 vertauscht. Ich freue mich, erneut (in der Geschichte der menschlichen Zivilisation) bestätigen zu können, dass Berechnungen NICHT lügen.
Govind m
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Hier ist eine Möglichkeit, dies zu tun:

Level Shift

Der Widerstandsteiler liefert 1,25 V an den nicht invertierenden Eingang. Diese kann bei Bedarf durch eine eigene Spannungsreferenz ersetzt werden. Sie benötigen einen Rail-to-Rail-Ausgangsverstärker.

Hier ist eine Simulation:

Level Shift Sim

Beachten Sie, dass die Eingangsimpedanz durch R3 definiert wird. Daher müssen Sie diese (und R2 um denselben Wert) oder den Puffer möglicherweise erhöhen, wenn die Quelle eine hohe Impedanz aufweist. Beachten Sie auch, dass der Ausgang invertiert.

Hier ist eine nicht invertierende Methode als Referenz:

Pegelverschiebung nicht invertierend

Und die Simulation (das "to_adc" ist die Ausgangsspannung):

Level Shift nicht invertierend

Die obige nicht invertierende Schaltung ist ein bisschen wie Ihr Summierverstärker.
Der von Ihnen angezeigte Summierverstärker hat jedoch ein Problem. Die angezeigten invertierenden Verstärkungswiderstände korrigieren den Teiler nicht. Es benötigt (R1 + R2) für den Rückkopplungswiderstand.
Die Verstärkung ist also gleich ((R1 + R2) / R2) + 1.

Hier ist ein Beispiel, wie es aussehen sollte (die Suffixe a und b dienen nur dazu, SPICE glücklich zu machen):

Pegelverschiebungssummierung

In der Simulation können Sie sehen, dass der Operationsverstärker + IN von 0 V auf 1,25 V schwankt. Daher ist eine Verstärkung von 4 erforderlich, um 0 V auf 5 V auszugeben. Da R1c und R1d parallel sind, erhalten wir 50k. Also (150k / 50k) + 1 = 4.

Pegelverschiebungssummierung sim

Oli Glaser
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Ich bin gespannt, wie hast du Größe C2?
jippie
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Ich habe es für diese bestimmte Frage nicht wirklich bemessen, es ist ein Überbleibsel eines vorherigen Schaltplans, den ich für diese Antwort angepasst habe (ich habe es dabei belassen, da es immer eine gute Idee ist, eine kleine Kappe über Rf zu haben, um Oszillation zu verhindern, aber nicht Ich möchte in diesem Bereich näher darauf eingehen.) Wie gezeigt, beträgt die Bandbreite jedoch 1 / (2pi * C2 * (R1 + R2)) -> 1 / (6,28 * 100e-12 * 150e3) = ~ 10,6 kHz. Für ein EKG könnte die Bandbreite viel mehr reduziert werden.
Oli Glaser
Danke für deine ausführliche Antwort. Ich habe gerade Ihre nicht-invertierende Schaltung ausprobiert, aber ich scheine auf ein Problem gestoßen zu sein. Obwohl das Eingangssignal von -2,5 auf 2,5 V schwankt,
schwankt
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Der LM358 ist kein Rail-to-Rail-Verstärker, insbesondere wird der Ausgang nicht bis zu +5 V schwingen, obwohl er den Boden erreichen sollte. Die Eingabe erfolgt ebenfalls nicht von Schiene zu Schiene. Wenn Ihre Quellenimpedanz hoch ist (z. B.> 5k), müssen Sie das Signal puffern, bevor Sie es an den Pegelumsetzer senden.
Oli Glaser
Ich habe auch den OPA333 ausprobiert, der laut Datenblatt "Rail to Rail Output within 3mV" ist, mit dem gleichen Ergebnis. Vielleicht liegt es dann an der Eingangsimpedanz? Ich werde versuchen , ein Spannungsfolger Hinzufügen ..
govind m