Comment puis-je échantillonner un signal analogique de -2 V à +2 V avec un microcontrôleur PIC?

J'utilise un micro PIC avec un ADC 10 bits pour prendre des lectures à partir d'un signal analogique avec une fréquence inférieure à 300 Hz. Cependant, ce signal analogique est dans la plage de -2 V et +2 V. Comment puis-je conditionner le signal pour le mettre dans une plage utilisable (en supposant que l'entrée de l'ADC doit être positive) De plus, je n'ai pas de positif et alimentation négative.

note importante:
cette réponse a été publiée pour résoudre le problème de l' entrée -20V à + 20V , car c'est ce qui a été demandé. C'est une méthode intelligente mais ne fonctionne pas si la limite de tension d'entrée reste entre les rails.

Vous devrez mettre à l'échelle la tension avec un diviseur de résistance afin d'obtenir une tension comprise entre -2,5 V et + 2,5 V, et ajouter 2,5 V. (Je présume une alimentation 5V pour votre PIC).

Le calcul suivant semble long, mais c'est uniquement parce que j'explique chaque étape en détail. En réalité, c'est si facile que vous pouvez le faire dans votre tête en un rien de temps.

D'abord ceci:

R1 est la résistance entre et V O U T , R2 est la résistance entre + 5 V et V O U T , et R3 est la résistance entre V O U T et G N D . $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Combien d'inconnues avons-nous? Trois, R1, R2 et R3. Pas tout à fait, nous pouvons choisir une valeur librement, et les deux autres dépendent de celle-ci. Choisissons R3 = 1k. La manière mathématique de trouver les autres valeurs consiste à créer un ensemble de deux équations simultanées à partir de deux paires ( , V O U T ) et à résoudre les valeurs de résistance inconnues. N'importe quelle paire ( V I N , V O U T ) fera l'affaire, mais nous verrons que nous pouvons énormément simplifier les choses en choisissant soigneusement ces paires, à savoir les valeurs extrêmes: ( + 20 V , + 5 V ) et ( $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$ , 0 V ). $-20V$$0V$

Premier cas: , V O U T = + 5 V Notez que (et c'est la clé de la solution!) Les deux extrémités de R2 voient + 5 V , donc il n'y a pas de chute de tension, et donc pas courant à travers R2. Cela signifie que I R 1 doit être le même que I R 3 (KCL). I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
. Nous connaissons le courant passant par R1, ainsi que la tension qui le traverse, nous pouvons donc calculer sa résistance:R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
. Trouvé notre premier inconnu! $R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Deuxième cas: , V O U T = 0 V La même chose qu'avec R2 se produit maintenant avec R3: pas de chute de tension, donc pas de courant. Toujours selon KCL, maintenant I R 1 = I R 2 . I R 1 = - 20 V - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
. Nous connaissons le courant passant par R2, ainsi que la tension qui le traverse, nous pouvons donc calculer sa résistance:R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
. Trouvé notre deuxième inconnu! $R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

La solution est donc: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

Comme je l'ai dit, ce n'est que le rapport entre ces valeurs qui est important, alors je pourrais aussi bien choisir . Nous pouvons comparer cette solution à une autre paire ( V I N , V O U T ), par exemple ( 0 V , 2,5 V ). R1 et R3 sont maintenant parallèles (ils ont tous les deux + 2,5V-0V sur eux, donc quand nous calculons leur valeur combinée, nous trouvons $R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$ , exactement la valeur de R2, et la valeur dont nous avions besoin pour obtenir + 2,5 V de + 5 V ! Notre solution est donc bien correcte. [Le tampon QC va ici]$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

La dernière chose à faire est de connecter au CAN du PIC. Les ADC ont souvent des résistances d'entrée plutôt faibles, ce qui peut perturber notre équilibre soigneusement calculé. Rien à craindre cependant, il suffit d'augmenter R3 pour que R 3 / / R A D C = 1 k Ω . Supposons que R A D C = 5 k Ω , puis $V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$ On en déduit queR3=1,25kΩ. $\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

modifier
OK, c'était intelligent et très simple, même si je le dis moi-même. ;-) Mais pourquoi cela ne fonctionnerait-il pas si la tension d'entrée reste entre les rails? Dans les situations ci-dessus, nous avions toujours une résistance qui n'avait pas de courant qui la traversait, de sorte que, après KCL, le courant entrant dans le nœud via une résistance partait via l'autre. Cela signifiait qu'une tension devait être supérieure à V O U T et l'autre inférieure. Si les deux tensions sont inférieures, le courant ne s'écoulerait que de ce nœud, et KCL l'interdit.$V_{OUT}$$V_{OUT}$

Le moyen le plus simple consiste à utiliser un "diviseur de résistance".

Vous n'avez pas dit à quelle tension ce PIC fonctionne et donc la plage d'entrée A / N est, utilisons donc 5V pour l'exemple. Votre plage de tension d'entrée est de 40 V et la sortie de 5 V, vous avez donc besoin de quelque chose qui s'atténue d'au moins 8. Vous devez également que le résultat soit centré sur 1/2 Vdd, qui est de 2,5 V, tandis que votre tension d'entrée est centrée sur 0 V .

Cela peut être accompli avec 3 résistances. Une extrémité des trois résistances est connectée ensemble et à la broche d'entrée PIC A / D. L'autre extrémité de R1 va au signal d'entrée, R2 va à Vdd et R3 va à la masse. Le diviseur de résistance est formé par le R1 et la combinaison parallèle de R2 et R3. Vous pouvez ajuster R2 et R3 pour centrer la plage résultante à 2,5 V, mais pour plus de simplicité, nous allons vivre avec un peu d'assymétrie et atténuer un peu plus pour vous assurer que les deux extrémités sont limitées à la plage Vss-Vdd.

Disons que le PIC veut que le signal analogique ait une impédance de 10 kΩ ou moins. Encore une fois pour plus de simplicité, faisons R2 et R3 20 kΩ. L'impédance alimentant le PIC ne sera plus que la combinaison parallèle de ceux-ci, qui est de 10 kΩ. Pour obtenir une atténuation de 8, R1 doit être 7 fois R2 // R3, qui est de 70 kΩ. Cependant, comme le résultat ne sera pas exactement symétrique, nous devons atténuer un peu plus pour nous assurer que -20V n'entraînera pas moins de 0V dans le PIC. Cela nécessite en fait une atténuation de 9, donc R1 doit être au moins 8 fois R2 // R3, qui est de 80 kΩ. La valeur standard de 82 kΩ permettra une certaine pente et marge, mais vous obtenez toujours la plupart de la plage A / N pour mesurer le signal d'origine.

Ajoutée:

Voici un exemple de recherche de la solution exacte à un problème similaire. Cela n'a pas d'asymétrie et a une impédance de sortie spécifiée particulière. Cette forme de solution peut toujours être utilisée lorsque la plage A / N est entièrement dans la plage de tension d'entrée.

C'est le circuit standard pour cela. Vous devez mettre à l'échelle les valeurs de résistance pour votre impédance requise.

Si le signal n'est pas CC ou si une référence CC n'est pas importante, le signal peut être couplé capacitivement à l'entrée de l'ADC.

Alternativement, si votre sol pour le PIC est flottant, vous pouvez lier votre terre de signal à 1/2 VDD du PIC.

Le circuit suivant devrait faire le travail:

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

C'est un diviseur potentiel. À -2 V, la sortie sera de 0,65 V; à + 2V, 2,65V.

Tout le bruit sur le rail 3,3 V sera transféré à l'entrée, utilisez donc une bonne référence de tension pour réduire ce problème.

Cela fonctionnera également avec d'autres fournitures, mais le décalage changera.

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

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