縮放模擬輸入信號的三種方式
隨著電子設(shè)備變得更加具有自我意識,針對電壓縮放的需求也在增加。我不是在談?wù)撊斯ぶ悄埽?ldquo;2001:太空奧德賽”中的Hal。我指的是具有更多自檢的電子設(shè)備,這需要讀取各種范圍的許多電壓。
縮放輸入電壓并非總像第一次那么容易(或復雜)。在本文中,我將介紹如何在最近的需將+/- 10 V信號縮小到0到2.5 V范圍信號鏈設(shè)計中解決這個挑戰(zhàn),以匹配所有其他信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。達到此目標的傳遞函數(shù)呈線性:VOUT = VIN / 8 + 1.25V。
解決方案1:
我的第一個想法是使用同相運算放大器(運放)電路。進行一些快速算術(shù)后,我確定了電路,如圖1所示,需要1.43V偏置電源,且反饋/接地電阻比為-7/8。
圖1:解決方案1模擬很好,但不可能實現(xiàn)
同相放大器增益公式為(1 + RF / RG)。若增益為+1/8,則電阻比為負。我不能購買一個-7k電阻,因此這是個大問題。我的運放的輸入共模范圍需低至-10V;這也是一個問題,因為我沒有可用的負極電源。顯然,在這種情況下,非反相運算放大器電路是不兼容的,但當所需的電壓增益大于1時,它確實會工作。
解決方案2:
圖2所示的五電阻運算放大器電路是差分放大器,其反相輸入接地,同相輸入端接1.25V。增益設(shè)置為1/8。輸入共模范圍為0V至2.22V,因此可使用單電源運放。
圖2:解決方案2有用,但是有沒有更好的解決方案?
解決方案3:
我不需要運算放大器來衰減信號。我可使用三個電阻 - A,B和C - 和電壓源V執(zhí)行所需的縮放任務(wù)。參見圖3。
圖3:這個簡單的解決方案只使用三個電阻和現(xiàn)有電源
在我所舉示例中,增益為1/8,偏移為1.25V。我將使用字母G和Z來表示增益和偏移(零輸入的輸出);因此,G = 1/8和Z = 1.25V。我的電源電壓V為3.3V。
那么,求解電阻器A,B和C的值(或比率)的最好方法是什么?我可使用電阻分壓器規(guī)則VOUT = VIN * RI /(RG + RI),使用公式1和2計算G和Z:
|| 符號表示“并行”;例如,x || y是x*y/(x+y) 或 1/(1/x+1/y)。
使用電阻分壓器規(guī)則解決這些方程將并不完美,因為很容易犯錯。我知道 - 因為我犯過錯。
涉及使用確定式的更清晰的方法是使用三個方程式以[x1a + x2b + x3c =常數(shù)]的形式求解三個未知數(shù)。
為讓我的生活更便利,我將電阻[A,B,C]變?yōu)殡妼1 / A,1 / B,1 / C] = [a,b,c]。
我使用Kirchhoff的電流定律來創(chuàng)建基于所需電壓增益的第一個方程。我設(shè)置VIN = 1VAC,使G = VOUT。參見圖4。公式3是交流電流公式:
圖4:基爾霍夫方程3的電流原理圖[!--empirenews.page--]
我使用基爾霍夫電流定律來創(chuàng)建基于所需電壓偏移的第二個方程。我設(shè)置VIN = 0V,VOUT = Z,這是0V輸入的輸出電壓,見圖5。因此,等式4是:
圖5:基爾霍夫方程4的電流原理圖
您需要第三個方程,然后才能求解三個未知數(shù)中的三個方程。任何方程式都會有如此行為;例如,將電阻A設(shè)置為10k可得出公式5:
現(xiàn)在,您可使用確定式求解所有三個電阻,并同時將求解的電導[a,b,c]轉(zhuǎn)換回電阻[A,B,C]。記住,G是增益,Z是0V輸入的輸出,V是電源電壓。圖6所示為使用三個方程的解。
圖6:三個方程的解
手動求解確定式也可能導致數(shù)學錯誤,因此讓Microsoft Excel或其他數(shù)學課程替您解決。我的解決方案是電阻[A,B,C] = [10k,2.52k,3.3k]。舍入到最接近的1%,電阻為[10k,2.55k,3.3k]。
若任何電阻值出現(xiàn)負值,表明解決方案不可構(gòu)建,請嘗試更改C電阻的電源(振幅和極性),并驗證所需的增益是否小于1。
將解決方案3應用于多路復用通道ADC應用:
圖7是我的終接電路,可用來縮放通道1的+ / 10V信號。原理圖還包括一個SN74LV4051A 8通道輸入多路復用器、TLV341A放大器/緩沖器和一個ADS7040 ADC。
圖7:八通道模擬量比例解決方案(顯示兩個輸入)
三電阻解決方案簡單準確。但請記住,源信號的輸入阻抗和置于輸出上的負載阻抗將構(gòu)成縮放器的一部分,并影響精度。