Wandlung des analogen Spannungspegels (Pegelverschiebung)

Ich habe einen Joystick, der eine analoge Spannung zwischen 1,5 V und 3,5 V ausgibt.

Ich möchte diesen Spannungsbereich transformieren, um eine Motorsteuerung zu steuern, die eine analoge Spannung zwischen 0 V und 5 V aufnimmt.

Wie verschiebe und verstärke ich richtig?

Gibt es keinen zwischengeschalteten Mikrocontroller? Wenn ja, verwenden Sie einfach einen ADC.
Ich denke, Sie möchten vielleicht näher erläutern, was Sie hier genau tun möchten. Versuchen Sie, eine analoge Spannung von 1,5 V bis 3,5 V auf 0 V bis 5 V zu skalieren? Versuchen Sie, eine analoge Spannung in einen digitalen Ausgang umzuwandeln?
Ein Aufwärtswandler könnte Ihnen helfen, von 3,5 V auf 5 V zu gehen, aber nicht, wenn Sie von 1,5 V auf 0 V heruntergehen. Seine Verstärkung ist immer größer oder gleich 1.
@Telaclavo ein Boost ist hier nicht sinnvoll, da er zur Stromversorgung verwendet wird, aber wir gehen davon aus, dass er eine größere Versorgung als 3,5 V hat.
@clabacchio Ich weiß, wofür Aufwärtswandler verwendet werden. Ich wollte ihn darauf hinweisen, dass die Hälfte der Gleichung nicht nur nicht empfehlenswert ist oder nicht so gemacht wird, sondern mathematisch unmöglich ist.
@Telaclavo Ich verstehe deinen Punkt. Ich sage nur, dass DC / DC-Wandler nur ausgeschlossen werden sollen, und Sie haben nur von der Verwendung eines Boosts abgeraten. Ich habe versucht, das allgemeiner zu formulieren, um Verwirrung zu vermeiden.
Wir wissen, dass das analoge Spannungen sind. Was ist Ihre Versorgung?
Clabaccio < Sie haben die richtige Idee, aber der falsche IC TL082 wird 0,5 bis 3,5 V bei einer 5-V-Einzelversorgung erreichen, glaube ich. Olin hat das richtige Design & den richtigen Chip MCP6041 mit Rail-to-Rail-Out. und die richtigen cct-werte. Wenn Sie den MCP6042 Dual OA verwenden, können Sie den Reservepuffer für Unity Gain für V/2 Ref verwenden. und dann geht die Verstärkung etwas nach oben. (von 2,475 bis 2,500 +/- %R Toleranzen), aber "knapp genug für Regierungsarbeit" mit 100 KΩ & 152 KΩ Rocket wolltest du wirklich invertieren?
Der Opamp soll nicht der richtige sein, er ist nur die Standardeinstellung für den Simulator. Und es ist nicht sicher, ob es nicht funktionieren wird, weil er möglicherweise eine andere Versorgung hat. Aber danke für den Rat, ich werde einen Haftungsausschluss schreiben. Aber Sie sollten dies als Kommentar posten.
Ich habe eine Frage zur Schaltung von Rocketmagnets. Ich bin sehr neu in Sachen Elektronik und habe eine dynamische Bewegungsplattform mit Arduino- und Wischermotoren gebaut. Die Motoren verwenden ein Potentiometer für die Positionsrückmeldung. Die Töpfe sind um 180° gedreht, so dass ich einen Bereich von etwa 1,6 V bis 3,6 V bekomme, also habe ich versucht, die Spannung mit dieser Schaltung zu erhöhen. Ich habe das so gebaut x-sim.de/forum/gallery/image.php?image_id=2326 . Ich habe die Verkabelung mehrmals überprüft und kann keinen Fehler finden. Ich benutze 10k Pots statt 1k vielleicht ist das mein Problem? Ich verwende lm324N produktinfo.conrad.com/datenblaett

Antworten (3)

Sie möchten eine einfache Verstärkung von 5/2 = 2,5, die um 2,5 V zentriert ist. Dies ist einfach, vorausgesetzt, Sie haben 5 V Strom zur Verfügung, wie von der Motorsteuerung:

Dies muss ein Operationsverstärker mit Rail-to-Rail- Ausgang sein, der mit 5 V betrieben werden kann, wie der MCP6041 und viele andere. R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler, um die 2,5 V zu erzeugen, um die herum das Eingangssignal verstärkt wird. C2 dämpft das Rauschen von der 5-V-Versorgung noch stärker als den Gleichstrom, um einen ruhigen und gleichmäßigen Gleichstrompegel zu erzielen. Der Operationsverstärker befindet sich in einer klassischen Konfiguration mit positiver Verstärkung, wobei R4 und R3 die Verstärkung einstellen. Die Impedanz der 2,5-V-Quelle, die von R1 und R2 erzeugt wird, trägt effektiv zu R3 für Verstärkungszwecke bei, aber das ist ein kleiner Beitrag von 1,2 kΩ auf 100 kΩ. Die Verstärkung wird etwas weniger als 2,5 betragen.

+1. Genauer gesagt Rail-to-Rail-Ausgang (Rail-to-Rail-Eingang wird hier nicht benötigt)
@ Jason - Behoben.
Wie haben Sie die Werte für R1 und R2 ausgewählt?
@abdullah: Da die Versorgung 5 V beträgt und es darum geht, 2,5 V zu erzeugen, war eine Einschränkung R1 = R2. Die andere Wahl war, wie die Impedanz der 2,5-V-Quelle sein sollte, also R1//R2. Niedriger ist besser, aber niedriger bedeutet auch mehr Strom. Ich hatte das Gefühl, dass 100 kOhm ungefähr so ​​​​hoch waren, wie ich mit R3 gehen wollte, um die Streugeräuschaufnahme niedrig zu halten. 1,2 kOhm schienen relativ niedrig genug zu sein und ziehen etwa 1 mA aus der 5-V-Versorgung, was vernünftig klang.
@OlinLathrop danke für die Info. Wenn unser Leistungsbudget knapp ist, sollten wir einen Spannungsfolger für die 2,5 V einführen, indem wir einen anderen OP-AMP verwenden (vielleicht im selben Gehäuse)?
Operationsverstärker sind neu für mich ... Ich kann sehen, dass R1 und R2 einen Spannungsteiler bilden. Der Differenzverstärker nimmt das Joystick-Signal an 3(+) und das 2,5-V-Signal an 2(-) auf, und nachdem wir die Mathematik des Differenzverstärkers befolgt haben, erhalten wir Folgendes: Differential Amplifier: Vout = Ad(Vin+ - Vin-) Vout = Ad(3.5 - 2.5) = 1Ad Vout = Ad(2.5 - 2.5) = 0Ad Vout = Ad(1.5 - 2.5) = -1AdIch gehe davon aus, dass Ad = 5 ist, was von 5 V kommt, die in Vs + und gehen GND geht in Vs-. Aber die Pegelverschiebung sieht für mich nicht richtig aus. Das untere Ende liegt bei -1Ad und das obere bei 1Ad. Sollte Vin- nicht bei 1,5 statt 2,5 liegen?
Mir ist auch nicht klar, wie R3 und R4 die Verstärkung einstellen. Ich bin auch etwas verwirrt darüber, warum 5 V und GND oben im Diagramm zusammenzukommen scheinen und dann in Vs + gehen. Ich hätte gedacht, dass da nur 5V reingehen sollten.
@jfenwick: Ich kann nicht sagen, was diese Gleichungen Ihrer Meinung nach bedeuten, ohne dass Sie Begriffe wie "Anzeige" richtig definieren. Außerdem scheinen Sie die Tatsache übersehen zu haben, dass es in dieser Schaltung eine negative Rückkopplung gibt, die die Verstärkung einstellt. Die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers ist so groß, dass sie für die Verstärkung der Closed-Loop-Schaltung keine Rolle spielt. Ich sehe nirgendwo 5V und GND zusammenkommen. Sie müssen mit weniger Handbewegungen spezifischer sein.
@OlinLathrop Ad: "Differenzverstärkung", ich denke, dies bedeutet eine Verstärkung der Ausgangsspannung, ich bin mir nicht sicher, wie man berechnet, wie viel Ad in dieser Schaltung ist. Vin+ ist der positive Eingang des Operationsverstärkers, an den der Ausgang des Joysticks geht. Vin- ist, wo die 2,5 V hineingehen. Wenn Sie dem zustimmen, beträgt der Spannungsbereich nach dem Durchlaufen des Operationsverstärkers im Idealfall [-1Ad,1Ad]. Mir fällt kein Wert für Ad ein, der den Vout-Bereich in [0,5] umwandeln könnte. Vielleicht wirkt sich das Feedback auf eine Weise auf die Anzeige aus, die ich nicht verstehe. Wie berechnet man das Feedback?
@OlinLathrop Ich denke, R4 bietet einen Pfad für das Vout-Signal, um eine Rückkopplungsschleife zurück in den Vin- zu erzeugen, aber ich weiß nicht, welchen Effekt das hat.

Dies ist mit nur einem Operationsverstärker möglich. Was Sie versuchen, ist Pegelverschiebung und Verstärkung . Früher haben wir diese immer gemacht. Sie sind nützlich in Robotern, in denen Sie einen Sensor mit einem kleinen analogen Spannungsausgangsbereich haben und den Spannungshub erweitern möchten, damit Sie die maximale Auflösung von Ihrem ADC erhalten.

Normalerweise haben wir sie mit variablem Offset und Gain gemacht, damit wir sie für jeden Sensor am Roboter anpassen können.

Operationsverstärker mit variabler Pegelverschiebung und Verstärkung

Wenn Sie Ihre Einstellungen richtig gemacht haben, können Sie immer die Widerstände der Töpfe messen und stattdessen Festwertwiderstände verwenden.

Oder Sie berechnen die Werte direkt:

Pegelverschiebung und Verstärkung des Operationsverstärkers

Es gibt einen Online-Rechner , mit dem Sie die Widerstandswerte berechnen können.

Richtig, aber er muss seine Versorgungsspannungen bereitstellen
@clabacchio - Stimmt. Aber ich denke, wir können davon ausgehen, dass 5 V verfügbar sind.
Beachten Sie, dass dies invertiert. Dies könnte ein Problem in der Benutzeroberfläche sein, wenn der Joystick entgegen der intuitiven Richtung bewegt werden muss, um eine höhere Motordrehzahl zu erreichen.
Vielen Dank für den Hinweis, dass dies als Ebenenverschiebung bezeichnet wird.

Im Gegensatz zu dem, was Cybergibbons sagt, ist es ganz einfache analoge Elektronik. Sie müssen jedoch angeben, welche Versorgung Sie für Ihre Schaltung verwenden möchten.

Sie benötigen eine Schaltung, die Ihr Gleichtaktsignal (1,5 V) auf 0 senkt und eine Verstärkung von 5/2 = 2,5 auf den Rest anwendet. Sie können dies leicht mit einem Op-Amp-basierten Level-Shifter mit etwas Verstärkung tun.

Eine Lösung besteht darin, einen analogen Subtrahierer mit einer Referenzspannung von 1,5 V zu verwenden, eine noch einfachere Lösung ist nur ein nicht invertierender Verstärker mit der Referenz an der richtigen Stelle.

Diese Schaltung erledigt die Aufgabe:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Opamp ist nur der Standard im Simulator, je nach Versorgung benötigen Sie möglicherweise einen anderen.

Es ist ein nicht invertierender Verstärker mit gegebener Verstärkung durch R 1 + R 2 R 1 , und die Referenzspannung bewirkt die Spannungsverschiebung.

Es ist einfach, wenn Sie nur einen Schaltplan zeichnen - die Komplikation ergibt sich aus der Anforderung, dass das Signal von 0-5 V gehen muss und ein Eingang zu einer Motorsteuerung ist. 0,05 V werden es nicht schneiden - daher ist ein Operationsverstärker mit geteilter Versorgung erforderlich. Das bedeutet, dass Sie eine geteilte Versorgung bereitstellen müssen, was einen großen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
@Cybergibbons nicht so sehr, je nachdem, was er hat; und mit Rail-to-Rail-Operationsverstärkern könnte er die Arbeit auch ohne sie erledigen.
Möglicherweise. Mir wurde beigebracht, dass es aus mehreren Gründen ein Tabu ist, sich auf die Rail-to-Rail-Leistung zu verlassen. Erstens ist Rail-to-Rail nie wirklich Rail-to-Rail - die leistungsstärksten Operationsverstärker erreichen etwa 10 mV, was Probleme verursachen kann. Zweitens sind sie in dieser Region nicht so linear. Drittens, wenn Sie den Ausgang belasten, wird die Rail-to-Rail-Leistung viel schlechter (eine Motorsteuerung kann den Ausgang belasten - wir wissen es nicht). Wenn die Motorsteuerung eine Totzone hat, spielt es natürlich keine Rolle.
@Cybergibbons Nun, in Bezug auf die Leistungsverschlechterung haben Sie vielleicht Recht (ich weiß es nicht), aber Analog Devices verfügt über Rail-to-Rail-Operationsverstärker, die etwa 2-5 mV (max.) von den Schienen erreichen. Dieses Problem besteht jedoch nicht, wenn er beispielsweise eine 12-V-Versorgung hat, es hängt also davon ab, wie er sie versorgen möchte. Über die Treiberfähigkeit kann er einen anderen Operationsverstärker verwenden, um das Signal zu puffern, solange er die richtige Versorgung hat.
@Cybergibbons - Ist es wahrscheinlicher, dass ein Prozessor-PWM-Ausgangspin innerhalb von 10 mV an Masse geht - selbst bei einem Arbeitszyklus von 0%?
@MikeJ-UK Ja, PWM gibt Ihnen perfekte 0 V (wenn die Last mit Masse verbunden ist) und fast perfekte 5 V (die Abweichung ist der Laststrom mal dem PMOS-Ein-Widerstand).
@MikeJ-UK Ich würde erwarten, dass PWM bei den meisten Mikrocontrollern zwischen 10 und 50 mV liefert, wenn eine hohe VCC wie 5 V verwendet wird.
@Cybergibbons Nein, wenn die Last nur Strom senkt (sie liefert keinen Strom), erzeugt eine PWM mit einem Tastverhältnis von 0% einen perfekten 0-V-Ausgang, da kein Strom einen Abfall über dem NMOS-Widerstand erzeugt.
Wandlung des analogen Spannungspegels (Pegelverschiebung)
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