¿Cómo mido un voltaje negativo con un ADC?

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Estoy trabajando con un microcontrolador PIC con ADC de 10 bits incorporado y quiero medir un voltaje en el rango de -1 a -3 voltios.
Pensé en usar un amplificador operacional en el modo de inversión para hacer que el voltaje sea positivo y luego alimentarlo al adc del microcontrolador, sin embargo, aquí tendría que alimentar el amplificador operacional con una fuente de alimentación negativa, ¿verdad? No quiero usar una fuente de alimentación negativa en este momento y me preguntaba si era posible lograr esta configuración. ¿Puedes ayudarme?

Kevin Boyd
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El -1 a -3V que estoy midiendo es la salida de un LM337 que quiero monitorear.
Kevin Boyd
relacionado: Mida -20V a + 20V de voltaje con foto
davidcary
No tengo suficientes detalles para dar una respuesta completa, pero si su PIC tiene un pin VREF- (voltaje de referencia negativo), entonces probablemente pueda hacerlo directamente, sin un inversor adicional, mediante el uso creativo de los voltajes de referencia.
Sparr

Respuestas:

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Un amplificador inversor no necesita un riel negativo para invertir el voltaje.

gschem

Intente pensar en sus rieles de potencia como los que suministran su salida. Si observa el circuito, todos los pines del amplificador operacional están vinculados a un voltaje de 0V o superior. Cuando entra su rango de -1 a -3, se mostrará exactamente como el opuesto de 1 a 3 en la salida. Esto también le brinda algunas ventajas como búfer, ya que la impedancia de entrada de su pin no afectará mucho a este circuito (siempre que R en || R f sea ​​grande).

Estoy de acuerdo en que un simple divisor de resistencia hace el trabajo, solo para hacerle saber que esto también funciona.

Kortuk
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+1: esta es la forma correcta de hacerlo si no tiene un ADC que acepte entradas negativas.
Jason S
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No, los rieles del amplificador operacional son los límites para su salida. Donde un amplificador operacional rail to rail irá muy cerca de los límites. Podrías, y muchos lo han hecho, pasar la vida diseñando amplificadores operacionales. No existe un amplificador operacional perfecto, pero normalmente existe un amplificador operacional perfecto para un caso específico.
Kortuk
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En esa nota, en esta configuración, si supera alrededor de -Vcc como su entrada, su salida golpeará el riel Vcc. Algunos amplificadores operacionales no irán dentro de un voltio o más del riel, algunos amplificadores operacionales irán dentro de los 50mV. Si obtiene una señal de entrada más grande, divídala por una cantidad mayor, si tiene una señal de -1 a -10 V, divida por 2, problema resuelto.
Kortuk
2
@Kortuk: nunca hay un amplificador operacional perfecto para ningún caso. Sin embargo, existe el mejor amplificador operacional de la selección disponible, cuando se tiene en cuenta el precio, para cada proyecto.
Connor Wolf el
3
@ Nombre falso, creo que este es un caso de error de comunicación. Si cumple con las especificaciones que necesita y es asequible, entonces tiene el amplificador operacional perfecto. Esa sería mi redacción, aunque entiendo lo que quieres decir. Acepto la limitación y uso perfecto porque soy positivo. <3
Kortuk
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Podría usar un divisor de voltaje, con un extremo colgando del riel de suministro positivo. Digamos que tiene uno con resistencias iguales y una fuente de alimentación de 5V, esto dará como resultado un voltaje entre + 2V y + 1V para su rango de -1 a -3V.

+5V +
    |
    R
    |
    +-- OUT
    |
    R
    |
IN -+
Wim
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Esto requerirá que el terminal IN absorba una corriente de (5-Vin) / (2R), por lo que tendrá que elegir R lo suficientemente grande como para no abrumar la entrada con corriente no deseada. entonces, su entrada de ADC necesitará tener al menos un orden de magnitud más de impedancia de entrada que el valor R, para no cargar indebidamente la red divisoria. Todo lo cual puede (o no) ser posible. A las hojas de datos!
JustJeff
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-1: será mejor que use resistencias de precisión y una referencia de precisión para 5V.
Jason S
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+1 por ser la forma más barata y sencilla. Pero como dice Jason S, la precisión requerirá esfuerzo, si eso importa.
DarenW
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Cualquier ruido en su riel positivo aparecerá en su ADC.
endolito el
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La idea del divisor de voltaje es agradable, barata, pero le da el problema de que un cambio del voltaje a medir se verá como la mitad del cambio en la entrada del ADC. Si las mediciones precisas son de interés, la solución es un diodo zener como la mitad inferior del divisor. Si lo que se está midiendo puede tolerar perder un poco de corriente, esto funcionará muy bien. Los Zeners no son absolutamente planos en su voltaje de ruptura inversa, especialmente para corrientes muy pequeñas, por lo que no haga que R1 sea demasiado grande.

Ahora para ver si este sitio de stackexchange me permite agregar imágenes ...

texto alternativo

texto alternativo

DarenW
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Simulado en QUCS
DarenW
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Este es el circuito estándar para ese tipo de conversión. Lo simulé para demostrarle a alguien que funcionó, de ahí el esquema SPICE. Debe elegir los valores de resistencia apropiados, funciona siempre que sean 2R, 2R y R.

Leon Heller
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4

Estoy en el trabajo (no electrónico) en este momento, sin prácticos dispositivos electrónicos o libros, por lo que esta será una idea aproximada. Quizás alguien más pueda completar los detalles ...

Pruebe con un espejo actual usando un par de transistores PNP que cuelgan del riel Vcc. Alimente la señal de voltaje negativo al lado de entrada del espejo a través de una resistencia adecuada. La misma corriente debería fluir a través del transistor de salida del espejo. Con una resistencia bien elegida, crea un rango de voltaje de 0V a Vcc.

EDITAR - NUEVO: Aquí está el esquema espejo actual. Cualquier corriente que pase por el transistor T1, T2 intentará hacer que el mismo flujo de corriente. El voltaje negativo a medir, en relación con la fuente de alimentación que elegí aleatoriamente para ser de 15v, crea una pequeña corriente de corriente a través de R1 (medido en simulación como "corriente de entrada"). Si R2 fuera igual a R1, encontraría el mismo voltaje a través de él, si se lo permitiera. Pero está conectado a 0V (gnd): nuestro circuito se basa únicamente en un suministro positivo. No funcionará a menos que hagamos R2 más pequeño, digamos 1/2 de R1, entonces el voltaje a través de él será 1/2 de lo que sea a través de R1. Mídelo, haz matemáticas (¡whoo, multiplica por 2, difícil!) Y ahí estás. El esquema tiene diferentes valores, una relación diferente texto alternativo, pero creo que todos podemos manejar las matemáticas para esto.

La ventaja de esto sobre un divisor de voltaje simple es que 1) parece más complicado, 2) es un truco común en el diseño de circuitos integrados analógicos. Como escribí otra respuesta usando un diodo Zener, ahora no estoy seguro de por qué esto es mejor, pero es una alternativa a un divisor de voltaje y puede permitir llegar a diferentes rangos de voltajes o algo así. Ahora dejo que otros comenten sobre la sabiduría o la necedad de esta idea ... texto alternativo texto alternativo

DarenW
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No podía entender lo que querías decir aquí, un enlace a un esquema ayudaría.
Kevin Boyd
Bien, tengo tiempo ahora ... y, mientras lo pienso, no estoy seguro de por qué es mejor que algunos circuitos más simples, excepto porque el diseño detallado podría funcionar mejor numéricamente, tal vez. El esquema se adjuntará pronto.
DarenW
Antigua pregunta, me doy cuenta, pero ... Este circuito se basa en el voltaje del emisor base frente a la curva de corriente del colector de los dos transistores que son iguales, de modo que la misma corriente fluye en cada uno de los dos colectores de transistores. Esa sería una buena suposición en un circuito integrado donde los transistores se pueden hacer coincidir bien (y están a la misma temperatura), pero no para dos transistores discretos. El circuito puede hacerse menos sensible a este problema poniendo resistencias coincidentes en serie con los emisores.
gwideman
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Es posible que ni siquiera necesite un amplificador operacional. Algunos ADC (como el MCP3304, consulte la hoja de datos: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21697e.pdf tienen un modo diferencial incorporado, donde el ADC devuelve la diferencia de dos canales, que puede ser un número negativo: si conecta un canal a tierra (llamado modo pseudo-diferencial), el ADC puede aceptar un voltaje de entrada negativo en el otro y traducirlo a un número negativo, todo sin necesidad de un voltaje negativo.

Por supuesto, esto solo se aplica si su ADC admite este tipo de cosas. Muchos no tienen modo diferencial en absoluto.

dpdt
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¿Ha revisado la hoja de datos de esta parte? De la hoja en la sección de calificaciones máximas absolutas: "Todas las entradas y salidas wrt VSS ............... -0.3V a VDD + 0.3V" Eso significa que no puede tener un negativo voltaje en las entradas o cualquier otro pin para el caso. ¿Por qué? porque los diodos de protección de entrada se encenderán y evitarán que la parte se queme. Esto no responde a la pregunta, la pregunta era ¿cómo puedo medir un voltaje negativo? No se puede medir un voltaje negativo con esta parte.
Voltaje pico el
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Creo que ya hay muy buenas respuestas, pero me gusta publicar otro enfoque, que estoy usando para hacer básicamente lo mismo.

¿Podría usar un amplificador operacional de instrumentación (como un LT1167)? Sin embargo, necesitaría el riel negativo, pero ¿no daría esto más precisión? y también mejores formas de amplificar el voltaje si lo desea simplemente agregando una resistencia.

agregar el riel negativo es tan fácil como agregar algo como un minmax MCW03-05D05.

El problema que tengo con el uso de resistencias es que es muy difícil encontrar resistencias idénticas, lo que le daría un error que tendría que corregir.

Nisse
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Esa es una forma bastante costosa de hacer algo simple.
Matt Young
sí, pero supongo que depende de qué tan buena precisión uno quiera
Nisse
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Usted mismo dijo que las resistencias son la fuente principal del error. Usar una parte más costosa, junto con la necesidad de agregar algún tipo de riel negativo, no soluciona eso. Usar resistencias con mayor precisión tiene más sentido.
Matt Young
bueno, si no hay necesidad de amplificación, no hay necesidad de ninguna resistencia ... Además, es solo otra forma de hacerlo, no digo que sea la forma correcta de hacerlo para cualquier aplicación, pero en algunos casos podría ser mejor renunciar a no usar un riel negativo.
Nisse