Messen Sie sowohl positive als auch negative Spannungen mit ADC

Ich möchte sowohl positive als auch negative Spannungen mit ADC messen. Meine Eingangsspannung liegt im Bereich von -55 bis +55 V, was insgesamt 110 V entspricht. ADC, den ich verwende, ist MCP3424, da es relativ einfach ist, ihn mit Raspberry Pi zu koppeln. MCP3423 ist ein differenzieller ADC mit positiven und negativen Eingängen für jeden Port. Ich möchte den negativen (-) Anschluss mit GND verbinden, also führe ich die Spannung dem positiven Eingang zu. Es gibt mir einen Bereich von 0 bis 2,048 V. (Lesungen von ADC sind 18-Bit)

Ich möchte den Bereich von -55 V bis + 55 V in einen Bereich von 0 - 2,048 V umwandeln. Mit etwas googeln und meinen begrenzten Elektronikkenntnissen bin ich auf folgende Schaltung gekommen:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Fragen/Probleme sind:

  • würde das gut funktionieren?
  • An welche Spannungen sollte ich Operationsverstärker-Spannungsschienen anschließen? OA1 bis +5 und Masse und OP2 bis +55 V und -55 V? In diesem Fall bräuchte ich einen Hochspannungs-Operationsverstärker, zum Beispiel LTC6090?
  • Brauche ich Schutzdioden am Eingang oder am Ausgang?

Gibt es andere Probleme, die ich nicht sehe?

Welche Genauigkeit benötigen Sie?
Sie haben die Ausgänge von zwei verschiedenen Operationsverstärkern miteinander kurzgeschlossen. Das ist ein düsteres Zeichen.
Schauen Sie sich "Summierverstärker" -Schaltungen an. Sie dämpfen das Signal auf etwas Vernünftiges (ein Potentialteiler reicht aus) - sagen wir +/- 1,024 V. Führen Sie dieses Signal dann in eine Summierverstärkerschaltung ein, die eine Vorspannung von 1,024 V hinzufügt.
- Genauigkeit innerhalb von 5% Fehler ist nur OK. Ich brauche nicht etwas sehr genaues. - Nachdem ich gegoogelt habe, sehe ich, dass es eine schlechte Sache ist. Verzeihung! - scheint dasselbe zu sein wie die Antwort unten. Ich probier es gleich mal aus, danke!

Antworten (3)

@ Andyakas Antwort ist im Grunde die gleiche wie das, was ich sagen wollte, aber er hat die invertierende Verstärkertopologie verwendet. Also +1 zu seiner Antwort.

Wie auch immer, da ich die Berechnungen bereits durchgeführt habe, werde ich dies auch posten. Die folgende nicht invertierende Topologieschaltung sollte auch funktionieren:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Die Werte von R3 und R4 können anhand Ihrer Versorgungsspannung (einfacher Potentialteiler) berechnet werden. Die Werte von R1 und R2 habe ich anhand von E12-Widerständen berechnet. Es ist möglicherweise nicht so genau, wie Sie möchten - es ergibt sich ein Ausgangsbereich von 0,175 bis 1,94 V für einen Eingangsbereich von +/-55 V.

Wenn Sie Widerstände mit höherer Genauigkeit verwenden, können Sie näher herankommen. Beispielsweise betragen die entsprechenden Werte der E48-Serie (1 %) 133.000 und 2,49.000 für R2 bzw. R1. Dazu müssen Sie mit einem Potentialteiler von R3 und R4 eine 1,04-V-Referenz erzeugen. Sie kommen dann Ihrem gewünschten Bereich ziemlich nahe und erhalten einen Ausgangsbereich von 0,01 V bis 2,031 V für einen Eingang von +/-55 V.

Die Simulation mit LT1677 liefert hervorragende Ergebnisse. Jetzt auf der Suche nach einem günstigeren Rail-to-Rail-Operationsverstärker. Könnt ihr es empfehlen? Danke!
Würde ein Paar Potentiometer an R1 und R4 helfen, die Genauigkeit zu verbessern? Oder verkaufen sie überhaupt Töpfe mit so viel Widerstand?
@JanDvorak Sie können sicherlich Potentiometer bekommen, die bei der Abstimmung helfen würden. Das Problem ist, dass die meisten Trimmer nicht immer gleichmäßig sind und eine ziemlich hohe Temperaturabweichung aufweisen können. Die wirklich schönen Trimmer mit hoher Stabilität kosten ~ 25 $ oder mehr. Immer noch für 5% könnten Sie wahrscheinlich mit einem Pot davonkommen. Alternativ könnte eine Präzisionsreferenz anstelle von R3/R4 verwendet werden.

Meine Eingangsspannung liegt im Bereich von -55 bis +55V

Meine erste Beobachtung ist, dass Sie ein sich langsam bewegendes Signal meinen müssen; Mit anderen Worten, Sie haben einen Eingang, der zwischen -55 V und +55 V variieren kann. Ich sage "langsame Bewegung", weil der von Ihnen gewählte ADC nominell auf niedrige Abtastraten ausgerichtet ist. Ja, es kann 240 Sps machen, aber das wäre nicht so toll beim Abtasten einer 50/60-Hz-Wechselspannung, weil Sie die Spitzen leicht verpassen können, wenn Sie nicht synchronisiert sind.

Der Bereich beträgt 110 Volt und muss auf 2,048 Volt reduziert werden, sodass eine einfache Dämpfung ausreicht (zwei Widerstände). Als nächstes müssen Sie den Bereich von -1,024 V bis +1,024 V um +1,024 V vorspannen (oder verschieben), und eine einfache Operationsverstärker-Summierungsschaltung kann dies tun.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Alle Widerstandswerte identisch mit Punkt (a) gespeist mit -1,024 V und Punkt (b) gespeist mit dem gedämpften Signal. Aufgrund des Ladeeffekts des Widerstands in der Leitung (b) wird es etwas mehr Dämpfung geben, aber dies kann verwaltet werden und kann auch ein bisschen ein Problemlöser sein, da ADCs keinen perfekten zuverlässigen Eingangsbereich haben auf dem Deckblatt des Datenblattes angegeben.

Sie erhalten am Ende einen invertierten Ausgang, dh +1,024 V wird durch -1,024 V dargestellt, aber das ist nach der Digitalisierung trivial.

Sie müssen auch auf die interne Referenzgenauigkeit und Drift im ADC achten - es ist ziemlich beschissen, wenn Sie genaue und zuverlässige Messungen wünschen.

Für den Operationsverstärker würde ich einen Rail-to-Rail-Typ in Betracht ziehen, damit er seinen Ausgang nach unten in Richtung 0 V erreichen kann, wenn das Eingangssignal an einem Extrem liegt.

Ich glaube nicht einmal, dass es notwendig ist, das Vorzeichen digital umzudrehen, der ADC scheint symmetrisch zu sein, also kann er das Signal wahrscheinlich stattdessen einfach an den invertierenden Eingang anschließen.
Die andere Möglichkeit besteht darin, stattdessen die nicht invertierende Topologie zu verwenden (verbinden Sie - mit out und den Eingangspotentialteiler mit +). So etwas wie 133k und 2,49k (beide E48) sollten ausreichen, bei einer Gleichspannung von etwa 1,04 V ergibt sich ein Ausgang von 0,01 V bis 2,03 V.
Vielen Dank für die sehr ausführliche Antwort! Bedeutet das, dass ich bei (a) einen genauen Spannungsreferenzpunkt erstellen muss, oder könnte ich wieder einen Spannungsteiler verwenden? Mit welcher Spannung sollte ich den Operationsverstärker betreiben, sind 5 V und gnd in Ordnung? Können Sie Widerstandswerte vorschlagen? übrigens. Die Genauigkeit könnte bei +- 5% liegen, also ist dies in Ordnung.
@pipe - es ist ein Pseudo-Differentialeingang, also ist das nicht möglich.
@TomCarpenter ja, das würde auch funktionieren.
@ DavidZovko Sie essen nur wegen der beschissenen internen Vref-Spannung in die +/- 5% um 2%. Dann haben Sie (sagen wir) 1% Widerstände, die weitere 3% (Minimum) hinzufügen, und Ihre Spezifikation ist durchgebrannt! Spezifikationsverwaltung erforderlich! 0V und 5V sollten für einen R2R-Operationsverstärker absolut in Ordnung sein.
Irgendwelche Probleme mit der Verwendung eines großen Widerstands für (b), um das rohe +/-55-V-Signal zu akzeptieren? Sobald wir zum Summierknoten kommen, haben wir es mit Strömen zu tun, nicht mit Spannungen. Angesichts dessen muss (a) auch nicht -1,024 V sein; Alles, was den entsprechenden Strom aus dem Summierknoten zieht, reicht aus, wie ein Widerstand mit mittlerem Wert zur negativen Versorgung. Diese beiden Änderungen würden zu einer geringeren Anzahl von Teilen führen - nur der Operationsverstärker und 3 Widerstände - auf Kosten der Verwendung von 3 verschiedenen Widerständen.
@AaronD ja, du hast recht.

Sie können auch einen passiven Teiler verwenden (ich würde in diesem Fall Schutz hinzufügen, aber das Prinzip gilt)

Schaltkreis

Wenn v ich = 55 V du willst v Ö = v H also kein Strom rein R 2 und so

v ich − v H R 1 = v H R 3

und wenn v ich = − 55 V du willst v Ö = 0 also hast du keinen strom drin R 3 und so

− v ich R 1 = v H R 2

Fix R 1 zu etwas Vernünftigem wie 100k, auflösen R 2 Und R 3 und Sie haben einen Ausgabebereich von 0 bis v H für die Eingabe, die Sie brauchen.

Messen Sie sowohl positive als auch negative Spannungen mit ADC
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