PICマイクロコントローラーで-2 V〜+2 Vのアナログ信号をサンプリングするにはどうすればよいですか？

300ビット未満の周波数のアナログ信号から読み取り値を取得するために、10ビットADCを備えたPICマイクロを使用しています。ただし、そのアナログ信号の範囲は-2 Vから+2 Vです。信号を調整して使用可能な範囲にするにはどうすればよいですか（ADCへの入力が正である必要があると想定しています）。負の電源。

重要な注意：
この回答は、-20V〜+ 20V入力の問題を解決するために投稿されたものです。これは賢い方法ですが、入力電圧制限がレール間に留まっていると機能しません。

-2.5Vと+ 2.5Vの間の電圧が得られるように抵抗分割器で電圧をスケーリングし、2.5Vを追加する必要があります。（私はあなたのPIC用の5V電源を想定しています）。

次の計算は長く見えますが、それは私がすべてのステップを詳細に説明しているからです。実際にはとても簡単なので、すぐに頭の中でそれを行うことができます。

まずこれ：

R1はとV O U T 間の抵抗、R2は+ 5 VとV O U T 間の抵抗、R3はV O U TとG N D間の抵抗です。 $V_{IN}$$V_{OUT}$
$+5V$$V_{OUT}$
$V_{OUT}$$GND$

未知数はいくつありますか？3つ、R1、R2、およびR3。不正解です。1つの値を自由に選択でき、他の2つはその値に依存しています。R3 = 1kを選択しましょう。他の値を求める数学的な方法は、2つの（、V O U T）ペアから2つの連立方程式のセットを作成し、未知の抵抗値を解くことです。（V I N、V O U T）のペアはすべて機能しますが、これらのペア、つまり極値（（+ 20 V、+ 5 V）および（$V_{IN}$$V_{OUT}$$V_{IN}$$V_{OUT}$$+20V$$+5V$、 0 V）。 $-20V$$0V$

最初のケース：、V O U T = + 5 V R2の両端が+ 5 Vになるので（そしてこれが解決策の鍵です！）、電圧降下がないため、 R2を流れる電流。つまり、I R 1はI R 3（KCL）と同じでなければなりません。I R 3 = + 5 V - 0 $V_{IN} = +20V$$V_{OUT}=+5V$
$+5V$$I_{R1}$$I_{R3}$
。 R1を流れる電流とその上の電圧もわかっているので、その抵抗を計算できます。R1=+20V-5$I_{R3}=\dfrac{+5V-0V}{1k\Omega}=5mA=I_{R1}$
。 私たちの最初の未知を見つけました！ $R1=\dfrac{+20V-5V}{5mA}=3k\Omega$

2番目のケース：、V O U T = 0 V R2と同じことがR3でも発生します。電圧降下がないため、電流がありません。再びKCLによれば、I R 1 = I R 2になります。I R 1 = − 20 V − 0 $V_{IN} = -20V$$V_{OUT}=0V$
$I_{R1}$$I_{R2}$
。 R2を流れる電流とその両端の電圧もわかっているので、その抵抗を計算できます。R2=+5V-0$I_{R1}=\dfrac{-20V-0V}{3k\Omega}=6.67mA=I_{R2}$
。 私たちの2番目の未知を見つけた！ $R2=\dfrac{+5V-0V}{6.67mA}=0.75k\Omega$

そう溶液である：。 $R1 = 3k\Omega, R2 = 0.75k\Omega, R3 = 1k\Omega$

私はそれだけだと述べたように比 Iが同様選ぶかもしれないので、重要であり、これらの値の間の。 このソリューションを別の（V I N、V O U T）ペア、たとえば（0 V、2.5 V）のペアに対してチェックできます。R1とR3は並列になりました（両方に+ 2.5V-0Vがあるため、それらの合計値を計算すると0.75がわかります$R1 = 12k\Omega, R2 = 3k\Omega, R3 = 4k\Omega$
$V_{IN}$$V_{OUT}$$0V$$2.5V$、正確R2の値は、我々が得るために必要な値 + 2.5 Vをから + 5 V！したがって、私たちのソリューションは確かに正しいです。[QCスタンプがここに表示されます]$0.75k\Omega$$+2.5V$$+5V$

最後に、をPICのADCに接続します。ADCの入力抵抗はかなり低いことが多いため、慎重に計算された平衡を乱す可能性があります。しかし、我々は単にようR3を増加する必要があり、心配する必要は何もR 3 / / R A D C = 1つのk Ω。仮定R A D C = 5 K Ω、次いで$V_{OUT}$$R3 // R_{ADC} = 1k\Omega$$R_{ADC} = 5k\Omega$我々は見つける。このことから、R3=1.25KΩを。 $\dfrac{1}{1k\Omega}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{R_{ADC}}=\dfrac{1}{R3}+\dfrac{1}{5k\Omega}$$R3=1.25k\Omega$

編集
OK、私が自分でそう言ったとしても、それは賢くて非常にシンプルでした。;-)しかし、入力電圧がレール間にある場合、これが機能しないのはなぜですか？上記の状況では、電流が流れない抵抗が常にあったため、KCLに続いて、1つの抵抗を介してノードに流れ込んだ電流は、他の抵抗を介して流れていました。つまり、一方の電圧はV O U Tよりも高く、もう一方の電圧は低くなければなりません。両方の電圧が低い場合、そのノードから電流が流れるだけで、KCLはそれを禁止します。$V_{OUT}$$V_{OUT}$

最も簡単な方法は、「抵抗分割器」を使用することです。

このPICが動作している電圧は言っていないため、A / D入力範囲はそうなので、例として5Vを使用します。入力電圧範囲は40Vで、出力は5Vなので、少なくとも8減衰するものが必要です。また、結果が2.5Vである1/2 Vddを中心とする必要がありますが、入力電圧は0Vを中心とします。 。

これは、3つの抵抗で実現できます。3つの抵抗すべての一端が一緒に接続され、PIC A / D入力ピンに接続されます。R1のもう一方の端は入力信号になり、R2はVddになり、R3はグラウンドになります。抵抗分割器は、R1と、R2とR3の並列組み合わせで形成されます。R2とR3を調整して、結果の範囲を2.5Vに集中させることができますが、これを簡単に説明するために、少し非対称にして、両端をVss-Vdd範囲に制限するように少し減衰させます。

PICがアナログ信号のインピーダンスを10kΩ以下にしたいとします。ここでも簡単のため、R2とR3を20kΩにしましょう。PICに給電するインピーダンスは、それらの並列の組み合わせ（10kΩ）にすぎません。8の減衰を得るために、R1はR2 // R3の7倍、つまり70kΩである必要があります。ただし、結果は正確に対称的ではないため、-20V inがPICに0V未満にならないように、もう少し減衰する必要があります。これには実際には9の減衰が必要であるため、R1は少なくともR2 // R3の8倍、つまり80kΩでなければなりません。82kΩの標準値は、多少のスロップとマージンを許容しますが、元の信号を測定するためにA / D範囲のほとんどを取得できます。

追加：

次に、同様の問題の正確な解決策を見つける例を示します。これには非対称性がなく、特定の指定された出力インピーダンスがあります。この形式のソリューションは、A / D範囲が完全に入力電圧範囲内にある場合に常に使用できます。

これがその標準回路です。必要なインピーダンスに合わせて抵抗値をスケーリングする必要があります。

信号がDCでない場合、またはDCリファレンスが重要でない場合は、信号をADCの入力に容量結合することができます。

または、PICのグランドがフローティングの場合、信号のグランドをPICの1/2 VDDに接続できます。

次の回路がその仕事をするはずです：

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

それは潜在的なディバイダーです。-2Vでは、出力は0.65Vになります。+ 2V、2.65V。

3.3Vレール上のすべてのノイズは入力に伝達されるため、適切な基準電圧を使用してこの問題を軽減します。

これは他のサプライでも機能しますが、オフセットはシフトします。

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

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