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電子設(shè)備針對(duì)電壓縮放的需求也在增加

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:網(wǎng)友電子設(shè)計(jì)發(fā)布 ? 作者:網(wǎng)友電子設(shè)計(jì)發(fā)布 ? 2021-12-16 15:42 ? 次閱讀

隨著電子設(shè)備變得更加具有自我意識(shí),針對(duì)電壓縮放的需求也在增加。我不是在談?wù)?a href="http://www.asorrir.com/v/tag/150/" target="_blank">人工智能,如“2001:太空奧德賽”中的Hal。我指的是具有更多自檢的電子設(shè)備,這需要讀取各種范圍的許多電壓。

縮放輸入電壓并非總像第一次那么容易(或復(fù)雜)。在本文中,我將介紹如何在最近的需將+/- 10 V信號(hào)縮小到0到2.5 V范圍信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中解決這個(gè)挑戰(zhàn),以匹配所有其他信號(hào)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)。達(dá)到此目標(biāo)的傳遞函數(shù)呈線性:VOUT = VIN / 8 + 1.25V。

解決方案1:

我的第一個(gè)想法是使用同相運(yùn)算放大器(運(yùn)放)電路。進(jìn)行一些快速算術(shù)后,我確定了電路,如圖1所示,需要1.43V偏置電源,且反饋/接地電阻比為-7/8。

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圖1:解決方案1模擬很好,但不可能實(shí)現(xiàn)

同相放大器增益公式為(1 + RF / RG)。若增益為+1/8,則電阻比為負(fù)。我不能購(gòu)買(mǎi)一個(gè)-7k電阻,因此這是個(gè)大問(wèn)題。我的運(yùn)放的輸入共模范圍需低至-10V;這也是一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)槲覜](méi)有可用的負(fù)極電源。顯然,在這種情況下,非反相運(yùn)算放大器電路是不兼容的,但當(dāng)所需的電壓增益大于1時(shí),它確實(shí)會(huì)工作。

解決方案2:

圖2所示的五電阻運(yùn)算放大器電路是差分放大器,其反相輸入接地,同相輸入端接1.25V。增益設(shè)置為1/8。輸入共模范圍為0V至2.22V,因此可使用單電源運(yùn)放。

poYBAGGKXHeAMQiiAAAehDQ7a1k784.png

圖2:解決方案2有用,但是有沒(méi)有更好的解決方案?

解決方案3:

我不需要運(yùn)算放大器來(lái)衰減信號(hào)。我可使用三個(gè)電阻 - A,B和C - 和電壓源V執(zhí)行所需的縮放任務(wù)。參見(jiàn)圖3。

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圖3:這個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案只使用三個(gè)電阻和現(xiàn)有電源

在我所舉示例中,增益為1/8,偏移為1.25V。我將使用字母G和Z來(lái)表示增益和偏移(零輸入的輸出);因此,G = 1/8和Z = 1.25V。我的電源電壓V為3.3V。

那么,求解電阻器A,B和C的值(或比率)的最好方法是什么?我可使用電阻分壓器規(guī)則VOUT = VIN * RI /(RG + RI),使用公式1和2計(jì)算G和Z:

pYYBAGGKXHyAM5DPAAAXhOD1vs4952.png

|| 符號(hào)表示“并行”;例如,x || y是x*y/(x+y) 或 1/(1/x+1/y)。

使用電阻分壓器規(guī)則解決這些方程將并不完美,因?yàn)楹苋菀追稿e(cuò)。我知道 - 因?yàn)槲曳高^(guò)錯(cuò)。

涉及使用確定式的更清晰的方法是使用三個(gè)方程式以[x1a + x2b + x3c =常數(shù)]的形式求解三個(gè)未知數(shù)。

為讓我的生活更便利,我將電阻[A,B,C]變?yōu)殡妼?dǎo)[1 / A,1 / B,1 / C] = [a,b,c]。

我使用Kirchhoff的電流定律來(lái)創(chuàng)建基于所需電壓增益的第一個(gè)方程。我設(shè)置VIN = 1VAC,使G = VOUT。參見(jiàn)圖4。公式3是交流電流公式:

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圖4:基爾霍夫方程3的電流原理圖

我使用基爾霍夫電流定律來(lái)創(chuàng)建基于所需電壓偏移的第二個(gè)方程。我設(shè)置VIN = 0V,VOUT = Z,這是0V輸入的輸出電壓,見(jiàn)圖5。因此,等式4是:

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poYBAGGKXIeAeEuEAAAbyKc2IFM082.png

圖5:基爾霍夫方程4的電流原理圖

您需要第三個(gè)方程,然后才能求解三個(gè)未知數(shù)中的三個(gè)方程。任何方程式都會(huì)有如此行為;例如,將電阻A設(shè)置為10k可得出公式5:

pYYBAGGKXIqAOTqzAAAGxQMnCus118.png

現(xiàn)在,您可使用確定式求解所有三個(gè)電阻,并同時(shí)將求解的電導(dǎo)[a,b,c]轉(zhuǎn)換回電阻[A,B,C]。記住,G是增益,Z是0V輸入的輸出,V是電源電壓。圖6所示為使用三個(gè)方程的解。

poYBAGGKXIyAEGQ5AACGhhzd3wY463.png

圖6:三個(gè)方程的解

手動(dòng)求解確定式也可能導(dǎo)致數(shù)學(xué)錯(cuò)誤,因此讓Microsoft Excel或其他數(shù)學(xué)課程替您解決。我的解決方案是電阻[A,B,C] = [10k,2.52k,3.3k]。舍入到最接近的1%,電阻為[10k,2.55k,3.3k]。

若任何電阻值出現(xiàn)負(fù)值,表明解決方案不可構(gòu)建,請(qǐng)嘗試更改C電阻的電源(振幅和極性),并驗(yàn)證所需的增益是否小于1。

將解決方案3應(yīng)用于多路復(fù)用通道ADC應(yīng)用:

圖7是我的終接電路,可用來(lái)縮放通道1的+ / 10V信號(hào)。原理圖還包括一個(gè)SN74LV4051A 8通道輸入多路復(fù)用器、TLV341A放大器/緩沖器和一個(gè)ADS7040 ADC。

poYBAGGKXI-ANOjLAABYI2HNNaY688.png

圖7:八通道模擬量比例解決方案(顯示兩個(gè)輸入)

三電阻解決方案簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。但請(qǐng)記住,源信號(hào)的輸入阻抗和置于輸出上的負(fù)載阻抗將構(gòu)成縮放器的一部分,并影響精度。

審核編輯:何安淇

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