Umwandlung von 0-5 Volt (linear) in +2,5 -- 0 -- +2,5 Volt ("vee")

Ich versuche, einen einfachen Weg zu finden, um einen 0-5-V-Ausgang von einem Joystick-Hall-Effekt-Sensor in +2,5 - 0 - +2,5 V umzuwandeln. So soll die Antwort aussehen:

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Die Ausgangsspannung wird an einen Frequenzumrichter und weiter an einen Schrittmotortreiber gesendet. Ich möchte an beiden Extremen die gleiche Spannung haben, damit die Frequenz (Motordrehzahl) unabhängig von der positiven oder negativen Richtung des Joysticks gleich ist. Ich beabsichtige, einen Komparator am Nullpunkt (mit einem geeigneten Totband) zu verwenden, um die Richtung des Schritttreibers umzukehren.

Ich habe mir ein paar Möglichkeiten ausgedacht, dies zu erreichen, aber keiner scheint besonders einfach zu sein:

  • Erstellen Sie einen zweiten, invertierten Ausgang vom Sensor und schalten Sie die Eingangsquelle (über Komparator und Mux) auf den Frequenzumrichter am 2,5-V-Mittelpunkt. Dies würde 2,5-0 V vom invertierten Ausgang und 0-2,5 V vom ursprünglichen Ausgang liefern.
  • Verschieben Sie den 0-5-V-Bereich auf -2,5-2,5 V und verwenden Sie dann eine Absolutwertschaltung, um den negativen Teil des Ausgangs zu invertieren.
  • Generieren Sie eine Vorspannung basierend auf der Joystick-Position und addieren/subtrahieren Sie sie vom Sensorausgang.

Idealerweise hätte ich gerne einen einzigen Eingang zum Frequenzumrichter, anstatt zu versuchen, ihn auf eine andere Quelle umzuschalten, z. B. einen invertierten Ausgang. Die zweite obige Idee würde diese Präferenz erfüllen, aber es würde eine negative Spannungsquelle erfordern. Außerdem versuche ich, diskrete Komponenten in diesem Design zu verwenden, daher ist ein Mikroprozessor keine Option für mich.

Gibt es eine einfachere Möglichkeit, diese Aufgabe zu erfüllen? Das Problem scheint ziemlich einfach zu sein, aber ich habe Probleme, eine einfachere Lösung zu finden. Ich schätze die Hilfe.

Willkommen bei EE.SE. Es ist am besten, die Pegelverschiebung nach dem Joystick mit Operationsverstärkern und Widerstandsteilern oder einem TL431 2,5-Volt-Ref. Oder verwenden Sie -2,5 V für eine Seite, damit der Joystick eine Mittelposition mit null Volt hat.
@Sparky256 Danke, froh, hier zu sein! Nur um meinen Beitrag zu verdeutlichen, alle meine Ideen zur Ebenenverschiebung würden nach dem Joystick passieren. Der Hallsensor nimmt eine bestimmte Eingangsspannung an und gibt nur 0-5 V basierend auf der mechanischen Position aus. Aus diesem Grund ist es etwas weniger flexibel als ein Potentiometer-Joystick, bei dem ich die Spannungspegel an den beiden Beinen des Potis manipulieren könnte.
Was verwendest du als Spannungs-Frequenz-Wandler?
@τεκ Ich plane, einen LM331 zu verwenden.

Antworten (6)

Ich würde die Absolutwertschaltung und einen Subtrahierer verwenden, um den Ausgang in den Bereich von 0 bis 2,5 V zu verschieben. Jasens Antwort enthält eine Absolutwertschaltung, die ich zuvor verwendet habe und die hier funktionieren sollte. Ich würde dem mit einem Operationsverstärker-Differenzverstärker mit einer Verstärkung von 1 folgen.

Sie benötigen sowohl für die Absolutwertschaltung als auch für den Differenzverstärker eine 2,5-V-Referenz. Sie können entweder einen einfachen Widerstandsteiler von Ihrer positiven Stromversorgung (den ich mit einem anderen Operationsverstärker puffern würde) oder einen 2,5-V-Referenz-IC verwenden.

Hier ist ein Schema, das Sie simulieren können (ich nahm an, dass eine 5-V-Versorgung für die 2,5-V-Referenz verfügbar war):

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich habe den Widerstandswerten nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt - ich habe nur dafür gesorgt, dass sie die richtigen Verhältnisse haben. Sie wissen besser, welche Werte in Ihrer Anwendung funktionieren. Ebenso habe ich nur einen generischen Operationsverstärker verwendet.

Ein DC-Sweep des Eingangs von 0 V bis 5 V erzeugt die folgenden Ausgänge für die Absolutwertschaltung (in orange) und den Differenzverstärker (blau):

DC-Sweep

Da es vier Operationsverstärker gibt, können Sie möglicherweise einen einzelnen Quad-Operationsverstärker-IC verwenden. Oder wenn Sie einen 2,5-V-Referenz-IC verwenden (Sie benötigen also nur 3 Operationsverstärker), können Sie einen Dual-Operationsverstärker-IC für die Absolutwertschaltung und einen einzigen für den Differenzverstärker verwenden.

Das ist eine wirklich schöne Lösung. Mir war nicht bewusst, dass die Absolutwertschaltung auch bei nicht negativen Eingängen funktionieren würde. Mir gefällt, dass diese Lösung mit nur einem Quad-Operationsverstärker-IC gehandhabt werden kann. Danke für die anschauliche Erklärung und Schaltungssimulation!

Hier ist eine Möglichkeit, dies zu tun, die einen billigen Quad-Operationsverstärker und eine Reihe von 100-K-Widerständen verwendet (und mit einer einzigen +5-V-Versorgung betrieben wird):

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

OA1 liefert die zwei Referenzspannungen, die von der Versorgung verwendet werden.

OA2 subtrahiert die Eingangsspannung von 2*1,25 V, um den linken Teil des Ausgangs zu erhalten.

OA3 subtrahiert 2,5 V von der Eingangsspannung für den rechten Teil des Ausgangs (beide sättigen bei 0 V mit einer einzigen 5-V-Versorgung, sodass keine Dioden erforderlich sind).

OA4 summiert die beiden, um die gewünschte Ausgangsspannung zu ergeben.

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Dies könnte definitiv für mich funktionieren, insbesondere wenn ich in ein Quad-Operationsverstärker-Paket passen könnte. Vielen Dank, dass Sie eine Simulation und eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung der Funktionsweise der Schaltung beigefügt haben. Es gibt sicher viele Widerstände :) aber ich mag es, wie die Summierungs- und Subtraktionsrollen in jeder Verarbeitungsphase klar definiert sind.

Die gewünschte Schaltung ist eine " Absolutwertschaltung " .

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Um jedoch die V-Form zu erhalten, benötigen Sie 2,5 V am nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers.

Ich denke, was Sie vorschlagen, wird dazu führen, dass der Ausgang niemals unter 2,5 V liegt, was OP nicht verlangt hat. Aber wenn Sie ein Schema des tatsächlichen Vorschlags einfügen würden, wäre es klarer.
Schließen. Aber ich denke, die zweite Stufe muss eine Verstärkung von 2 haben und sollte auf 3,75 vorgespannt sein

Ich sehe eine mögliche Lösung mit einer auf 2,5 V vorgespannten Superdiodenschaltung und ein paar zusätzlichen Operationsverstärkern, um das Signal zu invertieren und es mit der richtigen Verstärkung wieder dem Eingang hinzuzufügen.

Allerdings muss ich an dieser Stelle fragen: „Ist das wirklich effizienter als ein winziger Mikrocontroller?“

Ein 6-poliger Mikrocontroller ohne externe Komponenten kann diese Funktion ausführen UND Ihnen direkt die Ausgangsfrequenz liefern. Somit entfällt die Notwendigkeit für noch einen weiteren IC.

Über Superdioden muss ich mich noch einlesen, aber auf den ersten Blick sehen sie ziemlich schlau aus. Würde dieser Ansatz eine negative Versorgungsspannung erfordern? Können Sie eine Schaltung posten und / oder etwas detaillierter darauf eingehen, wie dies funktionieren könnte?
Ich stimme zu, dass ein Mikrocontroller wahrscheinlich der effizientere Ansatz ist. Es mit diskreten Komponenten zu tun, ist in meinem Fall eher eine pädagogische Sache. (Ich habe das tatsächlich mit einem Arduino versucht, mit etwas zugegebenermaßen beschissenem Code, und die Übergänge waren bei den niedrigeren Frequenzen sehr langsam, da der Sensor mit der gleichen Rate wie die Ausgangsfrequenz abgetastet wurde. Dies könnte sicherlich mit einer durchdachteren Codierung behoben werden , obwohl.)
@higrafey Die Grundidee ist bereits in @Jasens Antwort enthalten. Es erfordert nur ein paar Modifikationen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Abbildung 1. Gegenüberliegende Magnete ergeben einen Nullpunkt in der Hubmitte.

Wenn Ihr Joystick modifiziert werden kann, können Sie möglicherweise die erforderliche Reaktion erzeugen, indem Sie den einen Magneten durch zwei gegenüberliegende Magnete ersetzen, die durch den Hub der Bewegung getrennt sind.

  • In Mittelstellung des Joysticks heben sich die Magnetfelder auf.
  • Das Bewegen zu einem der beiden Enden des Hubs erhöht den Fluss vom jeweiligen Magneten und erhöht die Leistung.
  • Es kann am einfachsten sein, eine Ausgangsspannung > 2,5 V einzustellen und mit einem Widerstandsteiler zu dämpfen.

Hol die Heißklebepistole raus!

Clevere Idee! Das wäre die ideale Hardwarelösung, denke ich. Der Joystick kann zwar vom Hersteller mit diversen Ausgangsoptionen konfiguriert werden, der 2,5 V „vee“ gehört aber nicht dazu. Das nächste, was ich bekommen kann, ist 0-5 V von einem primären Sensor und 5-0 V von einem sekundären Sensor, mit 2,5 V in der Mitte. Ihr Trick wäre eine nette Option. Danke für die Idee!

Schließen Sie einen VCO an den Roheingang an und schlagen Sie den Ausgang gegen einen festen Oszillator, senden Sie die Schwebungsfrequenz an den Stepper-Treiber.

Sie könnten auch gegen eine Quadratur des festen Oszillators schlagen und auf diese Weise die andere Phase für Ihren Schrittantrieb erhalten, ohne einen Schritttreiber zu benötigen :)

Ich bin mir nicht sicher, ob der Filter, den Sie benötigen würden, machbar wäre, aber ich denke, das hängt von der Mindestfrequenz ab.
Interessante Idee. Würde mir dieser Ansatz immer noch die gleiche Frequenz am positiven und negativen Ende des Joystick-Hubs geben? Anscheinend müsste ich dem VCO an beiden Extremen die gleiche Spannung zuführen, was die Situation ist, auf die ich mit dem V / F-Wandler und meinem obigen Diagramm stoße.
@EdgarBrown Ich fotografiere für einen Frequenzbereich von 0-112 Hz, also ist es ziemlich niedrig. Durch einen Motor mit 400 Schritten / Umdrehungen bei 16: 1-Mikroschritten gespeist, ergibt dies etwas mehr als 1 U / min.
Richtig eingestellt würde es +112 Hz an einem Ende und -112 Hz am anderen Ende geben. Sie könnten es verstärken und direkt einen Schrittmotor antreiben.
Umwandlung von 0-5 Volt (linear) in +2,5 -- 0 -- +2,5 Volt ("vee")
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