Como faço para amostrar um sinal analógico de -2 V a +2 V com um microcontrolador PIC?

Estou usando um PIC micro com um ADC de 10 bits para fazer leituras de um sinal analógico com uma frequência menor que 300 hz. No entanto, esse sinal analógico está na faixa de -2 V e +2 V. Como posso condicionar o sinal para colocá-lo em uma faixa utilizável (assumindo que a entrada para o ADC deva ser positiva) Também não tenho um sinal positivo e fonte de alimentação negativa.

nota importante:
esta resposta foi publicada para resolver o problema de entrada de -20V a + 20V , porque foi isso que foi solicitado. É um método inteligente, mas não funciona se o limite de tensão de entrada permanecer entre os trilhos.

Você precisará escalar a tensão com um divisor de resistor para obter uma tensão entre -2,5V e + 2,5V e adicionar 2,5V. (Presumo que uma fonte de alimentação de 5V para o seu PIC).

O cálculo a seguir parece longo, mas isso é apenas porque explico cada etapa em detalhes. Na realidade, é tão fácil que você pode fazer isso em sua cabeça em pouco tempo.

Primeiro isso:

R1 é o resistor entre e , R2 é o resistor entre e e R3 é o resistor entre e . V O U T + 5 V V O U T V O U T G N $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

Quantas incógnitas temos? Três, R1, R2 e R3. Não é bem assim, podemos escolher um valor livremente, e os outros dois dependem desse. Vamos escolher R3 = 1k. A maneira matemática de encontrar os outros valores é criar um conjunto de duas equações simultâneas a partir de dois pares ( , ) e resolver os valores desconhecidos do resistor. Qualquer par ( , ) serve, mas veremos que podemos simplificar tremendamente as coisas escolhendo cuidadosamente esses pares, ou seja, os valores extremos: ( , ) e ( , ). V O U T V I N V O U T + 20 V + 5 V - 20 V 0 $V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$$-20V$$0V$

Primeiro caso: , Observe que (e essa é a chave da solução!) Ambas as extremidades do R2 vêem , portanto não há queda de tensão e, portanto, nenhuma corrente R2. Isso significa que deve ser o mesmo que (KCL). . Conhecemos a corrente através de R1 e também a tensão sobre ela, para podermos calcular sua resistência: . Encontrou o nosso primeiro desconhecido! V O U T = + 5 V + 5 V I R 1 I R 3 I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
$R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

Segundo caso: , A mesma coisa com o R2 acontece agora com o R3: sem queda de tensão, portanto, sem corrente. Novamente, de acordo com a KCL, agora = . . Conhecemos a corrente através de R2 e também a tensão sobre ela, para que possamos calcular sua resistência: . Encontrou o nosso segundo desconhecido! V O U T = 0 V I R 1 I R 2 I R 1 = - 20 V - 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
$R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

Portanto, uma solução é: . $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

Como eu disse, é apenas a relação entre esses valores que é importante, então é melhor escolher . Podemos verificar esta solução em relação a outro par ( , ), por exemplo ( , ). R1 e R3 agora são paralelos (ambos têm + 2,5V-0V sobre eles, portanto, quando calculamos seu valor combinado, encontramos , exatamente o valor de R2 e o valor necessário para obter de ! Portanto, nossa solução está realmente correta. [O selo QC vai aqui]$R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

A última coisa a fazer é conectar ao ADC do PIC. Os ADCs geralmente têm resistências de entrada bastante baixas, portanto isso pode atrapalhar nosso equilíbrio cuidadosamente calculado. Nada para se preocupar, no entanto, basta aumentar o R3 para que . Suponha que , então A partir disso, encontramos . R 3 / / R A D C = 1 k Ω R A D C = 5 k Ω $V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$ R3=1,25k$\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

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OK, isso foi inteligente e muito simples, mesmo que eu diga. ;-) Mas por que isso não funcionaria se a tensão de entrada permanecer entre os trilhos? Nas situações acima, sempre tivemos um resistor que não tinha corrente fluindo através dele, de modo que, seguindo o KCL, a corrente que entra no nó por meio de um resistor sai pelo outro. Isso significava que uma tensão tinha que ser maior que e a outra menor. Se ambas as tensões forem mais baixas, a corrente fluirá apenas para fora desse nó, e a KCL proíbe isso. V O U $V_{OUT}$$V_{OUT}$

A maneira mais fácil é usar um "divisor de resistor".

Você não disse em que voltagem esse PIC está funcionando e, portanto, a faixa de entrada A / D, então vamos usar 5V como exemplo. Sua faixa de tensão de entrada é 40V e a saída 5V, então você precisa de algo que atenue em pelo menos 8. Você também precisa que o resultado seja centrado em 1/2 Vdd, que é 2,5V, enquanto sua tensão de entrada é centrada em 0V .

Isso pode ser realizado com 3 resistores. Uma extremidade dos três resistores está conectada ao pino de entrada PIC A / D. A outra extremidade do R1 vai para o sinal de entrada, R2 vai para Vdd e R3 vai para o solo. O divisor do resistor é formado pelo R1 e pela combinação paralela de R2 e R3. Você pode ajustar R2 e R3 para centralizar o intervalo resultante em 2,5V, mas, para simplificar, explicamos isso, vamos viver com um pouco de assimetria e atenuar um pouco mais para garantir que ambas as extremidades estejam limitadas ao intervalo Vss-Vdd.

Digamos que o PIC quer que o sinal analógico tenha uma impedância de 10 kΩ ou menos. Novamente, por simplicidade, vamos fazer R2 e R3 com 20 kΩ. A impedância que alimenta o PIC não passará da combinação paralela daqueles, que é de 10 kΩ. Para obter a atenuação de 8, R1 precisa ser 7 vezes R2 // R3, que é de 70 kΩ. No entanto, como o resultado não será exatamente simétrico, precisamos atenuar um pouco mais para garantir que -20V não resultará em menos de 0V no PIC. Na verdade, isso requer atenuação de 9, então R1 deve ser pelo menos 8 vezes R2 // R3, que é de 80 kΩ. O valor padrão de 82 kΩ permitirá algumas inclinações e margens, mas você ainda obtém a maior parte da faixa A / D para medir o sinal original.

Adicionado:

Aqui está um exemplo de como encontrar a solução exata para um problema semelhante. Isso não tem assimetria e tem uma impedância de saída especificada específica. Essa forma de solução sempre pode ser usada quando a faixa A / D está totalmente dentro da faixa de tensão de entrada.

Este é o circuito padrão para isso. Você precisa dimensionar os valores do resistor para a impedância necessária.

Se o sinal não for CC, ou se uma referência CC não for importante, o sinal poderá ser capacitivamente acoplado à entrada do ADC.

Como alternativa, se o seu terreno para o PIC estiver flutuando, você poderá vincular seu terra de sinal a 1/2 VDD do PIC.

O seguinte circuito deve fazer o trabalho:

3.3V
 +
 |
 \
 / 1k
 \
 |
 +-- ADC input
 |
 \
 /  1k
 \
 |
 +-- Signal input (-2V to +2V)

É um divisor em potencial. Em -2V, a saída será 0,65V; a + 2V, 2,65V.

Todo o ruído no trilho de 3,3V será transferido para a entrada, portanto, use uma boa referência de tensão para reduzir esse problema.

Isso funcionará com outros suprimentos também, mas o deslocamento mudará.

$V_{ADCREF-}$
$V_{ADC}$$V_{DD}$$V_{ADC}$$V_{ADCREF+}$

$V_{DD}$$\frac{2V}{3.3V}$$V_{ADC}$