如何使用PIC单片机对-2 V至+2 V模拟信号进行采样？

10

我正在使用带有10位ADC的PIC单片机从频率低于300 Hz的模拟信号中读取读数。但是，该模拟信号的范围是-2 V和+2V。如何调节信号以使其处于可用范围内（假设ADC的输入必须为正），我也没有正值，并且负电源。

— 用户2200
source

3

可能重复：electronics.stackexchange.com/questions/3105/...

— 托马斯Ø

electronics.stackexchange.com/questions/812/...

— Kellenjb

electronics.stackexchange.com/questions/3105/...

— Kellenjb

@Kellenjb-您链接到的问题并未解决这种特殊情况下的计算，在这种情况下，输入电压会双向超出轨道。

— stevenvh 2011年

下面的问题被关闭，因为这一个的副本，并有有用的答案：electronics.stackexchange.com/questions/15985/...，electronics.stackexchange.com/questions/15940/...

— 凯文·维米尔

14

重要说明：
发布此答案是为了解决-20V至+ 20V输入的问题，因为这就是所要的。这是一个聪明的方法，但是如果输入电压限制保持在轨之间，则该方法将无法正常工作。

您必须使用电阻分压器调整电压，以便获得-2.5V至+ 2.5V的电压，并增加2.5V。（我为PIC假设使用5V电源）。

以下计算看起来很长，但这只是因为我详细解释了每个步骤。实际上，它非常容易，您可以立即在脑海中完成。

首先这个：

R1是和之间的电阻，R2是和之间的电阻，R3是和之间的电阻。 $V_{IN}$ $V_{OUT}$
$+5V$ $V_{OUT}$
$V_{OUT}$ $GND$

我们有多少未知数？三，R1，R2和R3。不完全是，我们可以自由选择一个值，而其他两个则取决于该值。让我们选择R3 = 1k。查找其他值的数学方法是从两对（，）对创建一组两个联立方程组，并求解未知的电阻器值。任何（，）对都可以，但是我们会看到，通过仔细选择这些对，即（，）和（ $V_{IN}$ $V_{OUT}$ $V_{IN}$ $V_{OUT}$ $+20V$ $+5V$ ，）。 $-20V$ $0V$

第一种情况：，请注意（这是解决方案的关键！）R2的两端都看到，因此没有电压降，因此没有通过R2的电流。这意味着必须与（KCL）相同。 $V_{IN} = +20V$ $V_{OUT}=+5V$
$+5V$ $I_{R1}$ $I_{R3}$
。我们知道通过R1的电流以及其上的电压，因此我们可以计算其电阻： $I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
。发现我们的第一个未知数！ $R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

第二种情况：，现在，R3发生与R2相同的情况：无电压降，因此无电流。再次根据KCL，现在 = 。 $V_{IN} = -20V$ $V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$ $I_{R2}$
。我们知道通过R2的电流以及其上的电压，因此我们可以计算其电阻： $I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
。发现我们的第二个未知数！ $R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

因此，一个解决方案是：。 $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

就像我说这仅仅是比这些值是重要之间，所以还不如挑。我们可以对照另一对（，）对，例如（，）检查该解决方案。R1和R3现在是并联的（它们都具有+ 2.5V-0V，因此，当我们计算它们的组合值时，我们发现 $R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$ $V_{OUT}$ $0V$ $2.5V$ ，R2的完全价值，我们需要得到的值从！因此，我们的解决方案确实是正确的。[QC邮票在这里] $0.75k\Omega$ $+2.5V$ $+5V$

最后要做的是将连接到PIC的ADC。ADC通常具有相当低的输入电阻，因此这可能会干扰我们精心计算的平衡。完全不用担心，但是，我们简单地必须增加R3使得。假设，则 $V_{OUT}$ $R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$ $R_{ADC} = 5k\Omega$ 由此我们发现。 $\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$ $R3=1.25k\Omega$

编辑
OK，这很聪明而且很简单，即使我自己也这么说。;-)但是，如果输入电压保持在两个电源轨之间，那为什么不起作用呢？在上述情况下，我们总是有一个没有电流流过的电阻，因此，在KCL之后，通过一个电阻进入节点的电流将通过另一个电阻流出。这意味着一个电压必须高于，而另一个则要低。如果两个电压都较低，则只会使电流从该节点流出，而KCL禁止这样做。 $V_{OUT}$ $V_{OUT}$

— 史蒂文夫
source

-20V输入将导致输出低于0V。

— 奥林·拉斯洛普

（也许还有Olin Lathrop）：我试图找出如何找到7k电阻的值。我注意到，当输入电压为2.5V时，无论电阻值如何，都不会有电流流到节点，因为没有电压差。但是2.5V输入不是中档，而2.5V输出也是。这是否意味着分压器应具有两个不同的电阻器？如果你明白我的意思。

— Federico Russo

也许这也可以解释@Olin Lathrop的评论。

— Federico Russo

@Frederico：是的，它不会完全对称。我在回答中对此进行讨论。可以将三个电阻器调整为将-20至+20伏特映射到0至5伏特，但是史蒂文和我都展示了一个较简单的情况，即出现了不对称的情况。

— 奥林·拉斯洛普

6

最简单的方法是使用“电阻分压器”。

您没有说PIC运行的电压是多少，因此A / D输入范围是多少，所以我们以5V为例。您的输入电压范围是40V，输出电压是5V，因此您需要衰减至少8的东西。您还需要将结果以1/2 Vdd为中心，即2.5V，而将输入电压以0V为中心。

这可以通过3个电阻来实现。所有三个电阻器的一端连接在一起，并连接到PIC A / D输入引脚。R1的另一端进入输入信号，R2进入Vdd，R3接地。电阻分压器由R1以及R2和R3的并联组合组成。您可以调整R2和R3以将得到的范围居中于2.5V，但为简单起见，我们将使用少量的不对称性，并进行更多的衰减以确保两端均限制在Vss-Vdd范围内。

假设PIC希望模拟信号的阻抗为10kΩ或更小。再次为简单起见，让我们将R2和R3设为20kΩ。馈入PIC的阻抗将不超过其并联组合的10kΩ。要获得8的衰减，R1必须是R2 // R3的7倍，即70kΩ。但是，由于结果将不完全对称，因此我们需要进一步衰减一点，以确保-20V输入不会导致PIC的输入电压小于0V。这实际上需要衰减9，因此R1必须至少是R2 // R3的8倍，即80kΩ。82kΩ的标准值会允许一些斜率和裕量，但您仍然可以在大部分A / D范围内测量原始信号。

添加：

这是找到类似问题的确切解决方案的示例。它没有不对称性，并且具有特定的指定输出阻抗。当A / D范围完全在输入电压范围内时，可以始终使用这种解决方案。

— 奥林·拉斯罗普（Olin Lathrop）
source

+1，因为就零件数而言，这是构建所需组件的最简单方法。一些注意事项：可以注意uC代码中的不对称性，并且通过在与GND的电阻器并联一个电容器，可以使信号平滑（低通滤波器）。拐角频率是1 /（2 * pi R C），其中R是所有三个电阻的并联值，C是相加的电容值（无论如何，ADC都需要电容！）。请考虑所有容差（R，ADC误差，+ /-最大LSB，参考误差，...）来计算此设置的精度-可能比预期的要差。

— zebonaut 2011年

@zebonaut-我再次进行了计算，并在更新后的答案中详细解释了每个步骤（看上去并不那么复杂！）。它为您提供了（-20V .. + 20V）到（0V .. + 5V）的精确映射

— stevenvh 2011年

@zebonaut：该电容器可能可用作抗混叠滤波器，但对不对称性没有任何作用。我不认为有点不对称没什么大不了的。如您所说，很容易处理固件。

— 奥林·拉斯洛普

如果要补偿软件中的不对称性，则必须计算精确的传递函数。如果您仍然必须这样做，为什么不首先使用正确的电阻值（而不是我的第一个（错误的答案）中的电阻值！）

— stevenvh 2011年

@stevenvh：使用“正确的”电阻值没有任何问题。我意识到可以进行精确的映射（就像我在回答中确实提到的那样），但是我决定不进入计算的复杂性，而是回答概念上较为简单的情况（这会导致一些不对称）。在任何情况下，您都必须衰减一些以解决倾斜问题，并且无论如何都应该在固件中进行校准。

— 奥林·拉斯洛普

2

这是为此的标准电路。您需要按要求的阻抗调整电阻值。

— 莱昂·海勒
source

如果使用它，是否需要确保源阻抗相对较低？

— 尼克T 2010年

Leon，为什么不使用电容器代替1k电阻？

— stevenvh 2010年

这是一个直流耦合的解决方案。需要串联电阻才能正常工作。

— 莱昂·海勒2010年

3

@Leon Heller：如果您解释了如何为电阻找到正确的值，我认为这将是一个更好的答案。

— Federico Russo

2

如果信号不是直流电，或者直流参考电压不重要，则可以将信号电容耦合至ADC的输入。

或者，如果PIC的地悬空，则可以将信号地连接到PIC的1/2 VDD。

— W5VO
source

如果使用电容耦合，则可以消除直流分量，但是信号的负部分仍会低于地电位，除非您通过电阻分压器在输入引脚上提供偏置，例如在Leon的电路中。

— stevenvh 2010年

未指定电源电压-可以与5V ADC一起使用。如果使用较小的Vdd，则需要缩放输入。到那时，它将变成带有电容器的莱昂电路。

— W5VO 2010年

2

以下电路可以完成这项工作：

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

这是一个潜在的鸿沟。在-2V时，输出将为0.65V；在+ 2V，2.65V下

3.3V电源轨上的所有噪声都将传递到输入，因此请使用良好的基准电压源来减少此问题。

这也适用于其他耗材，但偏移量会发生变化。

— 托马斯·奥
source

是的，它可以工作，但是最好使用整个ADC范围:-)

— stevenvh 2011年

@stevenh您可以使用0.65V和2.65V基准电压来实现，尽管您也可以使用电路。

— Thomas O

AFAIK PIC仅具有一个

V_{R E F +}

$V_{REF+}$ 输入，您无法设置

V_{R E F -}

$V_{REF-}$ 。像大多数控制器一样，它总是连接到

G N D

$GND$ 。

— stevenvh 2011年

@stevenh PIC24，dsPIC和PIC32肯定具有Vref-。我认为有些18F也可以。

— Thomas O

是的，好的，我不全都知道（有很多）。OP并没有说他正在使用哪一部分，而他似乎消失了，所以问他没有用。

— stevenvh 2011年

1

具有两个相同电阻器的Thomas电压加法器确实很简单，但缺点是ADC的输入范围减小，这意味着噪声的影响更大。另外下限为0.65V。如果您的微控制器没有 $V_{ADCREF-}$ 输入（大多数控制器不输入），输入范围的一部分将保持未使用状态。
这很容易解决：选择电阻比，以便 $V_{ADC}$ 如果输入为-2V，则将为0V。为一个 $V_{DD}$ 的5V，这意味着输入电阻应为上拉电阻的2/5。在2V输入时 $V_{ADC}$ 将为2.86V。组 $V_{ADCREF+}$ 到这个水平，-2V至+ 2V将覆盖整个ADC范围。

如果你的 $V_{DD}$ = 3.3V，输入电阻应为61％（ $\frac{2V}{3.3V}$ ）的引体向上。在+ 2V输入 $V_{ADC}$ 将为2.49V。

— 史蒂文夫
source