Как считывать отрицательные значения напряжения?

Сергей Алексеевич
Offline
Зарегистрирован: 09.01.2015

У меня и так двухпоялрное питание на Устройств, поэтому и взял не мешкаясь ОУ. Но для общего развития будет интересно посмотреть ;)

gena
Offline
Зарегистрирован: 04.11.2012

В Вашей схеме отрицательное напряжение используется для смещения ОУ, следовательно изменения этого напряжения будут влиять и на выходное напряжение.

Сергей Алексеевич
Offline
Зарегистрирован: 09.01.2015

Если у меня изменится отрицательное питание, то изменится и положительное, потому что оно получается через трансформатор. А это значит, что единственный способ сделать постоянное однополярное напряжение - поставить еще один источник :)

gena
Offline
Зарегистрирован: 04.11.2012

Если изменится и положительное питание, то оно никак не повлияет на изменение выходного напряжения, т.е. не компенсирует изменение  отрицательного (изменение в разумных пределах естественно). Отрицательное напряжение на Rдел1, это по сути Uвх номер два.

gena
Offline
Зарегистрирован: 04.11.2012

 

     Итак, задание. Есть входной сигнал в диапазоне -0,45...+0,45 В. Его нужно усилить и "привести" к диапазону 0...+5 В (для дальнейшего АЦ преобразования). Беру уровни входного сигнала с запасом, т.е. -0,5...+0,5 В. Уровни выходного сигнала напротив, уменьшаю, т.к. ОУ при работе на краях диапазона питания может работать не линейно: Uвых = +0,5...+4,5 В. Следовательно коэффициент усиления Ку = (4,5-0,5)/(0,5- (-,05)) = 4/1 = 4. Приняв входное сопротивление усилителя равным 10 кОм получаю, что Rвх = 10 кОм, а   Rос = Ку*Rвх = 4*10000 = 40 кОм. Из типового ряда номиналов резисторов выбираю Rос = 43 кОм. Итого ожидаемый коэффициет усиления Ку = - Rос/Rвх = -43000/10000 = -4,3 раза. Знак минус говорит о том, что входной сигнал при усилении инвертируется. Это расчёты касаемые коэффициента усиления.

    Теперь нужно сместить выходное напряжение так, что бы оно попало в диапазон работы АЦП микроконтроллера. Т.е. при Uвх = 0 В    Uвых должно быть равно +2,5 В. Когда Uвых = 0 В, ток протекающий через резисторы Rос и Rвх составляет Iос_вх = 2,5/(Rос + Rвх) = 2,5/(43000+10000)= 4,716981132075E-5 А. Следовательно на резисторе Rвх "упадёт" напряжение U = Rвх*Iос_вх = 10000*4,716981132075E-5 = =0,4716981 В.  Знать это напряжение нужно для того, что бы обеспечить такое же напряжение на неинвертирующем входе ОУ (на плюсовой обкладке конденсатора С1). Следовательно падение напряжения на резисторе R2 должно равняться U = 0,4716981 В. Принимая R2 равным 10 кОм (чем меньше разнономинальных деталей в схеме, тем лучше  ->  типизация), получается, что на резиторе R1 должно "остаться" напряжение 5 - 0,4716981 = 4,5283 В. Значит сопротивление резитора R1 = (5-U)/(U/R2) = (5-0,4716981)/(0,4716981/10000) =  96000,002968 Ом. Такого номинала в ряду резисторов нет, поэтому выбираю R1 равным 100 кОм. Следовательно напряжение на неинвертирующем выводе ОУ будет равно 5*10000/(100000+10000) = 0,454545. Какое же напряжение Uвых будет при реальных R1 = 100 кОм, R2 = 10 кОм и Uвх = 0 В? Ток протекающий через Rос и Rвх один и тот же, а на Rвх получится напряжение  5*10000/(100000+10000) = 0,454545 В. Значит на Rос напряжение в Ку = 4,3 раза больше чем на Rос  -> Uвых = 0,454545+(0,454545*Ку) = 0,454545* (1+Ку) = 0,454545*5,3 = 2,4090885 В. Как видно из расчёта, ожидаемый результат с реальными резисторами вполне приемлем.  Что бы уменьшить влияние помех проникающих через неинвертирующий вход ОУ, нужно "зашунтировать" по переменному току вывод 3 ОУ. Для этого установлен конденсатор С1. Его сопротивлени на частоте 50 Гц:   Хс = 1/(С*2*pi*f) = 1/(С*2*3.14*50). При ёмкости 10 мкФ получаю  Хс = 1/(0,00001*2*3,14*50) = 318,4713375796 Ом, что много меньше чем R2. Конденсатор С2 желателен для уменьшения помех идущих по цепи питания. Применяю керамику, пусть 0,1 мкФ (как в цифрвых схемах). Можно ещё говорить о учитывании влияния входных токов ОУ, других дестабилизирующих факторов, но это я пропускаю ввиду неглубоких собственных знаний в этом.  Замечания о применяемом ОУ. Поскольку не каждый ОУ может работать при малых входных напряжениях (особенности внутренней схемотехники), то нужно применить усилитель с архитектурой Rail-to-Rail Input/Output (Rail to Rail Operational Amplifiers). Иначе неизбежны ошибки при усилении. 

     Итого:  R1 = 100 кОм, R2 = 10 кОм, Rвх =  10 кОм, Rос = 43 кОм, С1 = 10 мкФ 10 В (электролитический), С2 = 0,1 мкФ 10 В (керамический), ОУ А1 = Rail-to-Rail Input/Output.

 

Сергей Алексеевич
Offline
Зарегистрирован: 09.01.2015

Великолепно! Были бы у нас преподы в институте такие, глядишь, жить бы стало проще :) 

gena
Offline
Зарегистрирован: 04.11.2012

  Вижу некоторые опечатки, но подредактировать не могу - "Доступ запрещён". В частности в строке "Значит на Rос напряжение в Ку = 4,3 раза больше чем на Rос -> Uвых....."  надо читать  "Значит на Rос напряжение в Ку = 4,3 раза больше чем на Rвх -> Uвых.....".

SU-27-16
SU-27-16 аватар
Offline
Зарегистрирован: 13.08.2012

Поскольку не каждый ОУ может работать при малых входных напряжениях (особенности внутренней схемотехники), то нужно применить усилитель с архитектурой Rail-to-Rail Input/Output (Rail to Rail Operational Amplifiers). 

 

ОУ сделаны именно для малых сигналов.... а Rail-to-Rail просто может выдать на выход от почти -питание до +питание ОУ, другие дадут на выходе от ( -питание+1...2V ) до ( +питание-1...2V )

gena
Offline
Зарегистрирован: 04.11.2012

   Поясню свою мысль. Под выражением "...Поскольку не каждый ОУ может работать при малых входных напряжениях (особенности внутренней схемотехники), ..." следует понимать, что речь идёт о входных напряжениях близких к 0 Вольт и при условии, что ОУ запитывается только положительным напряжением. Запитки от отрицательного источника нет. 

trembo
trembo аватар
Онлайн
Зарегистрирован: 08.04.2011

Поставил плюс за рассчёты, но я и без них сразу понял  что чтобы при входном  - 0.5 вольта получить на выходе  0 Вольт нужно на неинвертирующий вход подать +0.5 вольта с делителя.

Гриша
Offline
Зарегистрирован: 27.04.2014

ИМХО. может я не заметил в постах, но R1 (пост 55) нужно "посадить" на ИОН для стабильности, иначе схема "поплывет" по питанию. На сколько я понял, расчет на пределе точности, так и АЦП к ИОНу нужно привязывать, хотя, для бумажного расчета, можно простить.

trembo
trembo аватар
Онлайн
Зарегистрирован: 08.04.2011

Ещё плюс за однополярное питание! Опору , конечно лучьше на 431-ом делать, хотя и 5 Вольт с внешнего( не Ардуиновского )импульсника  вроде не плохо держатся, не знаю как по температуре, но для 2596 при его 2-ух Амперах Ардуина не нагрузка, от слова совсем

gena
Offline
Зарегистрирован: 04.11.2012

  Если практика покажет уходы выходного напряжения от нестабильности напряжения на R2, то можно R1 подключить к опорному напряжению (TL431). А можно вместо R1 применить генератор тока. Сложности нет.

Сергей Алексеевич
Offline
Зарегистрирован: 09.01.2015

Детальная разработка и почти готовый проект упёрся в довольно хитрый фактор — это было бесполезно. Был выбран другой входной сигнал, где напряжение и так положительное. Спасибо за помощь, было интересно :)

 

Прошу админов тему закрыть.

jeka_tm
jeka_tm аватар
Offline
Зарегистрирован: 19.05.2013

темы не закрываются. все открытые всегда

Сергей Алексеевич
Offline
Зарегистрирован: 09.01.2015

Странно :)

releyshic
Offline
Зарегистрирован: 20.11.2015

Michal пишет:

Можно так сделать, у меня тут сжимает с датчика -10...10В для однополярной АЦП на 0.4..4.4В(под свои нужды пересчитать немного). 0В на входе - 2.4В на входе АЦП

 

привет, расскажи как схема работает и как рассчитывать на нужный диапазон напряжения?

Гриша
Offline
Зарегистрирован: 27.04.2014

U5B - инвертер

U5A - мосштабирующий ОУ с инверсией.

смещение задается делителем R16, R17 (Uref) 

мосштаб R18, R20

более подробно, в любой книге про операционные усилители,  или в разделах Дифференциальный усилитель (вычитатель) и Инвертирующий усилитель  - там достаточно информации если вообще понимаете, что делаете

удачи

ЗЫ Три вузовских лекции по этой теме пересказывать никто не будет ИМХО

upd как вариант, закажите курсовик студентам с вашими параметрами - там все распишут :)))))))))))))))

releyshic
Offline
Зарегистрирован: 20.11.2015

Michal пишет:

Можно так сделать, у меня тут сжимает с датчика -10...10В для однополярной АЦП на 0.4..4.4В(под свои нужды пересчитать немного). 0В на входе - 2.4В на входе АЦП

собрал схему в протеусе нго чтото не то на выходе получается. не могу понять в чем дело. пробовал другой источник ставить и тоже самое