Analoge Spannungspegelumwandlung (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 den Pegel richtig?

— jfenwick
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Gibt es keinen zwischengeschalteten Mikrocontroller? Wenn ja, verwenden Sie einfach einen ADC.

— sptrks

Ich denke, Sie möchten vielleicht näher erläutern, was genau Sie hier 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?

— bjthom

Ein Aufwärtswandler könnte Ihnen helfen, von 3,5 V auf 5 V zu

— steigen

@ Telaclavo ein Boost ist hier nicht nützlich, da es für die Stromversorgung verwendet wird, aber wir gehen davon aus, dass er eine größere Versorgung als 3,5 V hat.

— Clabacchio

Wir wissen, dass dies analoge Spannungen sind. Was ist Ihr Vorrat?

— Clabacchio

Antworten:

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

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

— Olin Lathrop
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+1. Genauer gesagt, Rail-to-Rail-Ausgabe (Rail-to-Rail-Eingabe hier nicht erforderlich)

— Jason S

@ Jason - Behoben.

— Olin Lathrop

Wie haben Sie die Werte für R1 und R2 ausgewählt?

— Abdullah Kahraman

@abdullah: Da die Versorgung 5 V beträgt und 2,5 V erzeugt werden sollen, war eine Einschränkung R1 = R2. Die andere Wahl war, wie hoch die Impedanz der 2,5-V-Quelle sein sollte, nämlich 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 fahren wollte, um die Streulärmaufnahme gering zu halten. 1,2 kOhm schienen im Verhältnis dazu eine ausreichend niedrige Impedanz zu haben und ziehen etwa 1 mA aus der 5-V-Versorgung, was vernünftig klang.

— Olin Lathrop

@jfenwick: Ich kann nicht sagen, was diese Gleichungen Ihrer Meinung nach bedeuten, ohne dass Sie Begriffe wie "Anzeige" richtig definieren. Es scheint auch, dass Sie die Tatsache übersehen 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 des Closed-Loop-Schaltkreises keine Rolle spielt. Ich sehe nirgendwo 5V und GND zusammenkommen. Sie müssen mit weniger Handbewegungen genauer sein.

— Olin Lathrop

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

Wir würden sie normalerweise mit variablem Offset und Verstärkung herstellen, damit wir sie für jeden Sensor am Roboter anpassen können.

Operationsverstärker mit variablem Pegel verschieben und verstärken

Wenn Sie Ihre Einstellungen richtig vorgenommen haben, können Sie jederzeit die Widerstände der Töpfe messen und stattdessen Widerstände mit festem Wert verwenden.

Oder Sie können die Werte direkt berechnen:

Op Amp Pegelverschiebung und Verstärkung

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

— Raketenmagnet
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Richtig, aber er muss seine Versorgungsspannungen

— angeben

@clabacchio - Stimmt. Aber ich denke, wir können davon ausgehen, dass 5 V verfügbar sind.

— Raketenmagnet

Beachten Sie, dass dies invertiert. Dies kann ein Problem in der Benutzeroberfläche sein, wenn der Joystick entgegen der intuitiven Richtung bewegt werden muss, um eine höhere Motordrehzahl zu erzielen.

— Olin Lathrop

Vielen Dank für den Hinweis, dass dies als Pegelverschiebung bezeichnet wird.

— Jfenwick

Im Gegensatz zu Cybergibbons handelt es sich um eine recht 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 für den Rest eine Verstärkung von 5/2 = 2,5 anwendet. Sie können dies problemlos mit einem Op-Amp-basierten Pegelumsetzer mit einer gewissen 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 die Standardeinstellung im Simulator. Je nach Lieferung benötigen Sie möglicherweise einen anderen.}}

$\dfrac{R_1 + R_2}{R_2}$

— Clabacchio
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Es ist einfach, wenn Sie nur einen Schaltplan zeichnen. Die Komplikation besteht darin, dass das Signal von 0 bis 5 V gehen muss und ein Eingang für eine Motorsteuerung ist. 0,05 V werden es nicht schneiden - also braucht es einen Opamp mit geteilter Versorgung. Das bedeutet, dass Sie eine geteilte Versorgung bereitstellen müssen, was viel zusätzlichen Aufwand bedeutet.

— Cybergibbons

@Cybergibbons nicht so sehr, je nachdem was er hat; und mit Rail-to-Rail-Operationsverstärkern könnte er die Arbeit auch ohne sie erledigen.

— Clabacchio

Möglicherweise. Mir wurde beigebracht, dass das Verlassen auf die Leistung von Schiene zu Schiene aus mehreren Gründen ein Nein-Nein für die Kontrolle ist. Erstens ist Rail-to-Rail nie wirklich Rail-to-Rail - die leistungsstärksten Operationsverstärker erreichen etwa 10 mV, was zu Problemen führen kann. Zweitens sind sie in dieser Region nicht so linear. Drittens, wenn Sie den Ausgang laden, wird die Leistung von Schiene zu Schiene viel schlechter (eine Motorsteuerung kann den Ausgang belasten - wir wissen es nicht). Wenn die Motorsteuerung ein totes Band hat, spielt das natürlich keine Rolle.

— Cybergibbons

@Cybergibbons Nun, was die Verschlechterung der Leistung angeht, haben Sie vielleicht Recht (ich weiß nicht), aber Analog Devices verfügt über Rail-to-Rail-Operationsverstärker, die von den Schienen bis zu etwa 2-5 mV (max) reichen. Dieses Problem besteht jedoch nicht, wenn er beispielsweise eine 12-V-Versorgung hat. Es hängt also davon ab, wie er es versorgen möchte. Über die Fahrfähigkeit kann er einen anderen Operationsverstärker verwenden, um das Signal zu puffern, solange er die richtige Versorgung hat.

— Clabacchio

@Cybergibbons - Ist es wahrscheinlicher, dass ein Prozessor-PWM-Ausgangspin selbst bei einem Tastverhältnis von 0% innerhalb von 10 mV Masse liegt?

— MikeJ-UK