Wie messe ich eine negative Spannung mit einem ADC?

Ich arbeite mit einem PIC-Mikrocontroller mit integriertem 10-Bit-ADC und möchte eine Spannung im Bereich von -1 bis -3 Volt messen.
Ich dachte daran, einen Operationsverstärker im invertierenden Modus zu verwenden, um die Spannung positiv zu machen und sie dann dem ADC des Mikrocontrollers zuzuführen. Hier müsste ich den Operationsverstärker jedoch mit einer negativen Stromversorgung versorgen, oder? Ich möchte im Moment kein negatives Netzteil verwenden und habe mich gefragt, ob diese Konfiguration möglich ist? Können Sie uns helfen?

Ein invertierender Verstärker benötigt keine negative Schiene, um die Spannung zu invertieren.

Stellen Sie sich Ihre Stromschienen als das vor, was Ihre Leistung liefert. Wenn Sie sich die Schaltung ansehen, sind alle Operationsverstärker-Pins mit einer Spannung von 0 V oder höher verbunden. Wenn Ihr Bereich von -1 bis -3 eingegeben wird, wird dies als genaues Gegenteil von 1 bis 3 am Ausgang angezeigt. Dies bietet Ihnen auch einige Vorteile als Puffer, da die Eingangsimpedanz Ihres Pins diese Schaltung nicht sehr beeinflusst (solange R _in || R _f groß ist).

Ich bin damit einverstanden, dass ein einfacher Widerstandsteiler die Arbeit erledigt - damit Sie wissen, dass dies auch funktioniert.

Sie können einen Spannungsteiler verwenden, dessen eines Ende von der positiven Versorgungsschiene abhängt. Angenommen, Sie haben einen mit gleichen Widerständen und einem 5-V-Netzteil. Dies führt zu einer Spannung zwischen +2 V und +1 V für Ihren Bereich von -1 bis -3 V.

+5V +
    |
    R
    |
    +-- OUT
    |
    R
    |
IN -+

Die Spannungsteiler-Idee ist schön, billig, aber Sie haben das Problem, dass eine Änderung der zu messenden Spannung als 1/2 der Änderung am ADC-Eingang angesehen wird. Wenn genaue Messungen von Interesse sind, ist die Lösung eine Zenerdiode als untere Hälfte des Teilers. Wenn das zu messende Objekt es toleriert, ein bisschen Strom zu verlieren, funktioniert dies hervorragend. Zener sind in ihrer Sperrspannung nicht absolut flach, besonders für sehr kleine Ströme. Machen Sie R1 also nicht zu groß.

Nun, um zu sehen, ob ich über diese Stack-Exchange-Site Bilder hinzufügen kann ...

Dies ist die Standardschaltung für diese Art der Umwandlung. Ich habe es simuliert, um jemandem zu beweisen, dass es funktioniert, daher der SPICE-Schaltplan. Sie müssen geeignete Widerstandswerte auswählen, es funktioniert, solange sie 2R, 2R und R sind.

Ich arbeite gerade (ohne Elektronik), ohne handliche Elektronik-Software oder Bücher. Das ist also nur eine grobe Idee. Vielleicht kann jemand anderes die Details eintragen ...

Probieren Sie einen Stromspiegel mit einem Paar PNP-Transistoren aus, die an der Vcc-Schiene hängen. Führen Sie das negative Spannungssignal über einen geeigneten Widerstand der Eingangsseite des Spiegels zu. Der gleiche Strom sollte dann durch den Ausgangstransistor des Spiegels fließen. Mit einem gut gewählten Widerstand schaffen Sie einen Spannungsbereich von 0V bis Vcc.

BEARBEITEN - NEU: Hier ist das aktuelle Spiegelschema. Unabhängig davon, welcher Strom durch den Transistor T1 fließt, versucht T2, den gleichen Stromfluss zu erzielen. Die negative Spannung, die gemessen werden soll, relativ zu der Stromversorgung, die ich zufällig als 15 V gewählt habe, erzeugt einen Stromfluss durch R1 (gemessen in der Simulation als "Eingangsstrom"). Wenn R2 dasselbe wie R1 wäre, würden Sie die gleiche Spannung darüber finden, wenn es erlaubt wäre. Aber es ist an 0V (gnd) anzuschließen - unsere Schaltung basiert lediglich auf einer positiven Versorgung. Es wird nicht funktionieren, wenn wir R2 nicht kleiner machen, sagen wir 1/2 von R1, dann wird die Spannung 1/2 von dem sein, was über R1 liegt. Messen Sie es, rechnen Sie (whoo, multiplizieren Sie mit 2, hart!) Und schon sind Sie da. Der Schaltplan hat unterschiedliche Werte, ein anderes Verhältnis , aber ich denke, wir alle können die Mathematik dafür bewältigen.

Dies hat gegenüber einem einfachen Spannungsteiler den Vorteil, dass 1) es komplizierter aussieht, 2) es ein allgemeiner Trick im analogen IC-Design ist. Da ich eine andere Antwort mit einer Zener-Diode geschrieben habe, bin ich mir nicht sicher, warum dies besser ist, aber es ist eine Alternative zu einem Spannungsteiler und kann es ermöglichen, verschiedene Spannungsbereiche oder ähnliches zu erreichen. Jetzt lasse ich andere die Weisheit oder Dummheit dieser Idee kommentieren ...

Möglicherweise benötigen Sie nicht einmal einen Operationsverstärker. Einige ADCs (wie der MCP3304, siehe Datenblatt: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21697e.pdf) verfügen über einen integrierten Differenzialmodus, bei dem der ADC die Differenz von zwei Kanälen zurückgibt negative Zahl: Wenn Sie einen Kanal mit Masse verbinden (sogenannter Pseudo-Differential-Modus), kann der ADC auf der anderen Seite eine negative Eingangsspannung akzeptieren und in eine negative Zahl umwandeln, ohne dass eine negative Spannung erforderlich ist.

Dies gilt natürlich nur, wenn Ihr ADC dies unterstützt. Viele haben überhaupt keinen Differentialmodus.

Ich denke, es gibt bereits sehr gute Antworten, aber ich poste gerne einen anderen Ansatz, den ich benutze, um im Grunde dasselbe zu tun.

Sie könnten einen Instrumenten-Operationsverstärker (wie einen LT1167) verwenden? Sie würden jedoch die negative Schiene benötigen, aber würde dies nicht mehr Genauigkeit geben? und auch bessere Möglichkeiten zum Verstärken der Spannung, falls gewünscht, indem einfach ein Widerstand hinzugefügt wird.

Das Hinzufügen der negativen Schiene ist so einfach wie das Hinzufügen eines Minmax MCW03-05D05.

Das Problem bei der Verwendung von Widerständen ist, dass es sehr schwierig ist, identische Widerstände zu finden, was zu einem Fehler führen würde, den Sie korrigieren müssten.