Wie kann ich mit einem PIC-Mikrocontroller ein analoges Signal von -2 V bis +2 V abtasten?

Ich verwende ein PIC-Mikro mit einem 10-Bit-ADC, um Messwerte von einem analogen Signal mit einer Frequenz von weniger als 300 Hz zu erfassen. Dieses analoge Signal liegt jedoch im Bereich von -2 V und +2 V. Wie kann ich das Signal konditionieren, um es in einen nutzbaren Bereich zu bringen (vorausgesetzt, der Eingang zum ADC muss positiv sein)? Auch ich habe kein positives und negative Stromversorgung.

Wichtiger Hinweis:
Diese Antwort wurde veröffentlicht, um das Problem für den Eingang von -20 V bis + 20 V zu lösen , da dies gefragt wurde. Es ist eine clevere Methode, funktioniert aber nicht, wenn die Eingangsspannungsgrenze zwischen den Schienen bleibt.

Sie müssen die Spannung mit einem Widerstandsteiler skalieren, damit Sie eine Spannung zwischen -2,5 V und + 2,5 V erhalten, und 2,5 V hinzufügen. (Ich gehe von einer 5-V-Stromversorgung für Ihren PIC aus).

Die folgende Berechnung sieht lang aus, aber das liegt nur daran, dass ich jeden Schritt im Detail erkläre. In Wirklichkeit ist es so einfach, dass Sie es in kürzester Zeit in Ihrem Kopf tun können.

Zuerst das:

R1 ist der Widerstand zwischen und , R2 ist der Widerstand zwischen und und R3 ist der Widerstand zwischen und . V O U T + 5 V V O U T V O U T G N $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Wie viele Unbekannte haben wir? Drei, R1, R2 und R3. Nicht ganz, wir können einen Wert frei wählen, und die anderen beiden sind von diesem abhängig. Wählen wir R3 = 1k. Der mathematische Weg, um die anderen Werte zu finden, besteht darin, einen Satz von zwei gleichzeitigen Gleichungen aus zwei ( , ) Paaren zu erstellen und nach den unbekannten Widerstandswerten zu suchen. Alle ( , ) Paare reichen aus, aber wir werden sehen, dass wir die Dinge enorm vereinfachen können, indem wir diese Paare sorgfältig auswählen, nämlich die Extremwerte: ( , ) und ( , ). 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$

Erster Fall: , Beachten Sie, dass (und dies ist der Schlüssel zur Lösung!) Beide Enden von R2 , sodass kein Spannungsabfall und daher kein Strom durchläuft R2. Das bedeutet, dass mit (KCL) identisch sein muss . . Wir kennen den Strom durch R1 und auch die Spannung darüber, damit wir seinen Widerstand berechnen können: . Fand unser erstes Unbekanntes! 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$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
$R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Zweiter Fall: , Das gleiche wie bei R2 passiert jetzt bei R3: kein Spannungsabfall, also kein Strom. Wieder laut KCL, jetzt = . . Wir kennen den Strom durch R2 und auch die Spannung darüber, damit wir seinen Widerstand berechnen können: . Fand unser zweites Unbekanntes! 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$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
$R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

Eine Lösung lautet also: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

Wie gesagt, es ist nur das Verhältnis zwischen diesen Werten wichtig, also könnte ich genauso gut wählen . Wir können diese Lösung mit einem anderen Paar ( , ) vergleichen, z. B. ( , ). R1 und R3 sind jetzt parallel (beide haben + 2,5 V - 0 V über sich. Wenn wir also ihren kombinierten Wert berechnen, finden wir , genau den Wert von R2 und den Wert, den wir benötigen, um von ! Unsere Lösung ist also in der Tat korrekt. [QC-Stempel steht hier]$R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

Als letztes müssen Sie mit dem ADC des PIC verbinden. ADCs haben oft eher niedrige Eingangswiderstände, daher kann dies unser sorgfältig berechnetes Gleichgewicht stören. Kein Grund zur Sorge, wir müssen einfach R3 erhöhen, damit . Angenommen, , dann Daraus ergibt sich . $V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$$\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

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OK, das war klug und sehr einfach, auch wenn ich es selbst sage. ;-) Aber warum sollte das nicht funktionieren, wenn die Eingangsspannung zwischen den Schienen bleibt? In den obigen Situationen hatten wir immer einen Widerstand, durch den kein Strom floss, so dass nach KCL der Strom, der über einen Widerstand in den -Knoten fließt , über den anderen abfließt. Das bedeutete, dass eine Spannung höher als und die andere niedriger sein musste. Wenn beide Spannungen niedriger sind, würde nur Strom von diesem Knoten wegfließen, und KCL verbietet dies. V O U $V_{OUT}$$V_{OUT}$

Am einfachsten ist es, einen "Widerstandsteiler" zu verwenden.

Sie haben nicht gesagt, bei welcher Spannung dieser PIC läuft und daher der A / D-Eingangsbereich ist. Verwenden wir also 5 V für das Beispiel. Ihr Eingangsspannungsbereich beträgt 40 V und der Ausgang 5 V, sodass Sie etwas benötigen, das um mindestens 8 gedämpft wird. Außerdem muss das Ergebnis auf 1/2 Vdd zentriert sein, was 2,5 V entspricht, während Ihre Eingangsspannung auf 0 V zentriert ist .

Dies kann mit 3 Widerständen erreicht werden. Ein Ende aller drei Widerstände ist miteinander und mit dem PIC A / D-Eingangspin verbunden. Das andere Ende von R1 geht zum Eingangssignal, R2 geht zu Vdd und R3 geht zu Masse. Der Widerstandsteiler wird durch R1 und die parallele Kombination von R2 und R3 gebildet. Sie können R2 und R3 so einstellen, dass der resultierende Bereich bei 2,5 V zentriert wird. Der Einfachheit halber werden wir jedoch mit ein wenig Assymetrie leben und etwas mehr abschwächen, um sicherzustellen, dass beide Enden auf den Vss-Vdd-Bereich beschränkt sind.

Angenommen, der PIC möchte, dass das analoge Signal eine Impedanz von 10 kΩ oder weniger hat. Lassen Sie uns der Einfachheit halber R2 und R3 zu 20 kΩ machen. Die Impedanz, die den PIC speist, ist nicht mehr als die parallele Kombination dieser Impedanzen, die 10 kΩ beträgt. Um eine Dämpfung von 8 zu erhalten, muss R1 7 mal R2 // R3 sein, was 70 kΩ entspricht. Da das Ergebnis jedoch nicht genau symmetrisch ist, müssen wir etwas mehr dämpfen, um sicherzustellen, dass -20 V in nicht weniger als 0 V in den PIC einbringen. Das erfordert tatsächlich eine Dämpfung von 9, also muss R1 mindestens 8 mal R2 // R3 sein, was 80 kΩ entspricht. Der Standardwert von 82 kΩ ermöglicht eine gewisse Neigung und einen gewissen Spielraum, aber Sie erhalten immer noch den größten Teil des A / D-Bereichs, um das ursprüngliche Signal zu messen.

Hinzugefügt:

Hier ist ein Beispiel für die genaue Lösung eines ähnlichen Problems. Dies hat keine Assymetrie und eine bestimmte spezifizierte Ausgangsimpedanz. Diese Form der Lösung kann immer verwendet werden, wenn der A / D-Bereich vollständig innerhalb des Eingangsspannungsbereichs liegt.

Dies ist die Standardschaltung dafür. Sie müssen die Widerstandswerte für Ihre erforderliche Impedanz skalieren.

Wenn das Signal nicht DC ist oder wenn eine DC-Referenz nicht wichtig ist, kann das Signal kapazitiv mit dem Eingang des ADC gekoppelt werden.

Wenn Ihre Masse für den PIC schwebend ist, können Sie alternativ Ihre Signalmasse mit 1/2 VDD des PIC verbinden.

Die folgende Schaltung sollte die Arbeit erledigen:

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

Es ist ein potentieller Teiler. Bei -2 V beträgt der Ausgang 0,65 V; bei + 2 V, 2,65 V.

Alle Störungen auf der 3,3-V-Schiene werden auf den Eingang übertragen. Verwenden Sie daher eine gute Spannungsreferenz, um dieses Problem zu verringern.

Dies funktioniert auch mit anderen Verbrauchsmaterialien, aber der Offset verschiebt sich.

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

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