Меню

Смещение напряжения для ацп

Масштабируем сигнал для АЦП

Аналогово-цифровой преобразователь, или АЦП, служит для преобразования аналогового сигнала в цифровой код, который далее может обрабатываться микроконтроллером, компьютером или другой цифровой вычислительной машиной. Это предложение было написано только для красоты и не несет особой смысловой нагрузки. Итак, приступаем сразу к делу))

У любого АЦП есть характеристика, которая называется «Динамический диапазон». Динамический диапазон — это диапазон аналогового сигнала на входе АЦП, в приделах которого результат преобразования меняется от минимального значения до максимального.

Для примера возьмем встроенный в ATMega8 АЦП. Его разрядность 10 бит, а это значит, что код на его выходе может изменяться в диапазоне от 0 до 2^10 — 1 = 1023. При опорном напряжении 2.5 вольт, результат преобразования будет следующим:

  • на входе 0 вольт -> код на выходе 0
  • на входе 1.25 вольт -> код на выходе 511
  • на входе 2.5 вольт -> код на выходе 1023
  • на входе 2.51 вольт -> код на выходе 1023
  • на входе 3.0 вольт -> код на выходе 1023

Вот. Обратите внимание на последние 2 строчки: напряжение на входе увеличиваем, а код не меняется. Все, уперлись в рельсу (англ. rail — рейка, перекладина, ограда). Вот это и есть выход за динамический диапазон. А сам динамический диапазон лежит в пределах 0..2.5 вольт.

А что делать, когда надо измерять напряжения, например, от 0 до 3.5 вольт?

Можно увеличить опору АЦП до 4-х вольт, и тогда максимальному значению 1023 будет соответствовать уже 4 вольта, а не 2,5. И у нас остается еще небольшой запас в пределах динамического диапазона.

А если надо мерить до 10-и вольт? Опору в 10 вольт поставить не получится. Согласно datasheet-у на мегу8, напряжение опоры может быть в пределах от 2 вольт и до напряжения питания аналоговой части контроллера AVcc, а AVcc примерно равно напряжению питания цифровой части Vcc.

Рис. 1. Диапазон напряжений опоры и питания аналоговой части микроконтроллера.

Вот и получается, что при питании МК от 5-и вольт, сигнал опорного напряжения может быть в пределах от 2v до 5v.

Выйти из ситуации можно довольно просто: в качестве опоры выбрать всё те же 2.5 вольт, а на аналоговый вход АЦП подавать сигнал через делитель на 4:

Рис. 2. Схема масштабирования сигнала на резисторах.

Результат будет следующий:

  • Uin = 0.0v: ADC_DATA = 0
  • Uin = 2.5v: ADC_DATA = 255
  • Uin = 5.0v: ADC_DATA = 511
  • Uin = 7.5v: ADC_DATA = 767
  • Uin = 10.0v: ADC_DATA = 1023

Отлично! Теперь мы можем мерить напряжения от 0 до 10 вольт. Изменив нужным образом коэффициент деления резистивного делителя можно скорректировать диапазон измеряемых напряжений.

Бывают случаи, когда нам нужно получить высокое входное сопротивление аналогового входа Uin, порядка нескольких МегаОм. А в нашем случае (рис. 2) входное сопротивление всего 50 ком. Решить проблему крайне просто: перед делителем на R1 и R2 поставить повторитель на операционном усилителе:

Рис. 3. Схема масштабирования с высоким входным сопротивлением.

У современных ОУ сопротивление входа запросто может быть несколько десятков мегаом, а у лучших образцах и того больше — Гигаомы. Тут следует помнить об одной вещи: если мы хотим на Uin измерять напряжения от 0 до 10 вольт, то питание операционного усилителя должно быть соответствующим: для так называемых Rail-to-Rail ОУ напряжение питания должно быть равно 10 вольт, или немного больше.

Если использовать «обычный» операционник, то надо помнить, что ему на вход нельзя подавать напряжение, равное напряжению питания. Для очень популярного LM358 необходимо «отступить» от напряжений питания целых 2 вольта. Т.е. для нашего случая, чтоб ОУ не уходил в насыщение при подачи на Uin 10 вольт (относительно земли), на «плюс» питания ОУ надо подать минимум +12 вольт. То же самое и при Uin=0 вольт: на «минус» питания подаем -2 вольта относительно земли. Если с +12-ю вольтами особых проблем и не возникает, то с -2 вольтами придется повозиться: или использовать трансформатор с двумя вторичными обмотками, или какой-то DC-DC преобразователь ставить, геморрой лишний короче. А в результате у нас получится мега-сложная схема, которая делает мега-простую вещь. Поэтому использование Rail-to-Rail операционников в некоторых схемах очень даже к стати)))

Так, вроде все круто и замечательно, но только до тех пор, пока нам не нужно мерить отрицательные напряжения. А если нужно? Например, от -10 до +10 вольт. Решение есть.

Конечно, можно найти специальные микросхемы АЦП, которые могут работать с отрицательными напряжениями. Тогда всю входную схему можно свести рис. 3. Однако, во всеми любимыми AVR-ках АЦП не может измерять отрицательные относительно земли напряжения. Более того, если на любой вход микроконтроллера, в том числе и аналоговый, подать напряжение, меньше -0.5 вольта, то «спасибо» он за такое уж точно не скажет (смотри таблицу Absolute Maximum Ratings в даташите на МК).

Пусть Uin — это то напряжение, которое надо измерить, adc_in — напряжение, которое подается на вход АЦП после некой преобразующей схемы, опора у нас будет 2.5 вольт. Тогда нам надо сделать такую схему, которая реализует следующее:

  • При Uin = +10v -> adc_in=2.25v
  • При Uin = -10v -> adc_in=0.25v
  • При Uin = 0v -> adc_in=1.25v

Т.е. нам нужно вогнать диапазон -10..+10 вольт в 0.25..2.25, причем при напряжении на входе, равном нулю, на АЦП подается половина напряжения опоры.

По-началу, задача может казаться сложной, но на самом деле все реализуется на одном операционнике и пяти резисторах!

Давайте вспомним схему неинвертирующего сумматора на ОУ:

Читайте также:  Правило знаков при определении напряжения

Рис. 4. Неинвертирующий сумматор на ОУ.

А теперь давайте посмотрим на схему, решающую нашу задачу:

Рис. 5. Схема из шести деталей))

По сути это самый обыкновенный сумматор с двумя входами с разными коэффициентами подмешивания для каждого из входов. На первый вход подается напряжение опоры, коэффициент суммирования у которого 0.5. Второй вход измерительный, его коэффициент в нашем случае 0.1. Вот и получается, что напряжение на выходе равно adc_in=(0.5*2.5) + (0.1*Uin):

  • (0.5*2.5) + (0.1*10) = 2.25v выходе при входном напряжении Uin равном +10v;
  • (0.5*2.5) + (0.1*0) = 1.25v при Uin=0v;
  • (0.5*2.5) + (0.1*(-10)) = 0.25v при минимально возможном напряжении на входе Uin=-10 вольт.

Надеюсь, это понятно))

А работает все это вот так:

Рис. 6. Осциллограмма входного и выходного сигналов

На рис. 6 представлен результат симуляции нашей схемы в isis Proteus. Красный график — сигнал на входе, зеленый — на выходе. Протеус классная вещь все-таки))

Есть тут один момент, на который следует обратить внимание. Для корректной работы Rail-to-Rail операционника его напряжение питания должно быть больше или равно максимально возможному напряжению на его входах и выходе.

Давайте разбираться, какие напряжения у нас гуляют по схеме.

Выход ОУ фактически является сигналом adc_in, и тут должно быть напряжение от 0.25 до 2.25 вольт. Так, один диапазон установили. На отрицательный вход ОУ напряжение через делитель на R1, R2 подается с выхода ОУ, поэтому тут не может быть потенциал больше 2.25 вольт.

А как дела обстоят с положительным входом? Чтобы не впадать в математические расчеты, можно прямо в Proteus-e измерить напряжение на этом входе при изменении Uin в пределах -10..+10 вольт.

Рис. 7. Точка измерения напряжения U1_+

Рис. 8. Результат измерения на положительном входе ОУ

Напряжение на положительном входе ОУ колеблется в диапазоне 0.25..2.05 вольт. Можно заключить, что для корректной работы схемы на рис. 5 требуется Rail-to-Rail ОУ с однополярным питанием от 2.25 и более вольт. Надо лишь обратить внимание на то, что не стоит его поднимать выше напряжения питания МК, чтоб в случае нештатного режима работы схемы исключить попадание на аналоговый вход микроконтроллера слишком большого потенциала.

При необходимости, можно перестроить входной диапазон напряжений до нужного значения, подобрав правильным образом номиналы резисторов в схеме. Более того, эта схема может работать не только как аттенюатор (ослабитель сигнала), но и как усилитель. Чем меньше величина резистора R3, тем меньше диапазон входных напряжений, и наоборот. Если R3 выбрать равным 1 ком (и R2 поставить тоже 1 ком, почему так, см. далее) то диапазон входных напряжений уже будет не ±10 вольт, а ±0.1 вольт, а на выходе сигнал будет меняться в тех же пределах, что и в предыдущем случае:

Рис. 9. Схема с перестроенным входным диапазоном. Красный — Uin, зеленый — adc_in

При перенастройки схемы нужно выполнять следующие правила относительно номиналов резисторов :

  • R4=R5
  • R1 = R4/2=R5/2
  • R2=R3

При выполнении этих трех условий схема будет работать правильно в широком диапазоне (в пределах разумного, конечно)) ) значений резисторов.

Есть и готовые микросхемы, выполняющие данные функции, например, INA159. Вот тут на него есть обзор. Но готовые решения не всегда удовлетворяют всем требованиям, и нет возможности тонкой настройки схемы под себя))

Драйвер АЦП, про который я рассказал, хорошо зарекомендовал себя в одной довольно сложной и высокоточной конструкции, поэтому при необходимости буду его пихать везде, где только можно))

Так, на этом, пожалуй, закончу)) Получилось довольно много текста, и на мой взгляд некоторые места слишком занудные. Перечитаю пару раз, может что где поправлю. Всем пока)))

Источник



Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. У него может быть смещение как у аналогового измерительного устройства, которое не обнуляется. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут дрейфовать с возрастом и температурой. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Напряжение смещения

Другой практической проблемой для производительности операционного усилителя является смещение напряжения. То есть влияние наличия выходного напряжения на величину, отличную от нуля, когда два входных вывода закорочены вместе. Помните, что операционные усилители – это, прежде всего, дифференциальные усилители: они должны усиливать разность напряжений между двумя входными выводами и не более того. Когда разность входных напряжений точно равна нулю, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет точно нулевое напряжение. Однако в реальном мире это случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала (бесконечный CMRR), выходное напряжение может быть не равным нулю, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение называется смещением выходного уровня операционного усилителя.

Смещение выходного напряжения операционного усилителя Смещение выходного напряжения операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель выдает ровно ноль вольт, когда оба входа закорочены вместе и соединены с землей. Тем не менее, большинство стандартных операционных усилителей будут сдвигать свое выходное напряжение в сторону уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В приведенном выше примере выходное напряжение насыщается при значении положительных 14,7 вольт, чуть меньше, чем +V (+15 вольт) из-за предела положительного насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение приводит выходное напряжение к точке полного насыщения, нельзя сказать, какое смещение напряжения присутствует на выходе. Если раздельный источник питания +V/-V был достаточно высокого напряжения, кто знает, может быть, выходное напряжение составляло бы несколько сотен вольт из-за влияния смещения!

Читайте также:  Колебания от номинального напряжения

По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину дифференциального входного напряжения, создающего этот эффект. Другими словами, мы предполагаем, что операционный усилитель является идеальным (без смещения вовсе), и небольшое напряжение прикладывается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону отойти от нуля. Поскольку дифференциальные коэффициенты усиления операционных усилителей настолько велики, значение «входного напряжения смещения» необязательно должно учитывать то, что мы видим с закороченными входами:

Входное напряжение смещения Входное напряжение смещения

Напряжение смещения будет приводить к небольшим ошибкам в любой схеме на операционных усилителях. Итак, как мы компенсируем его? В отличие от синфазного коэффициента усиления, производители обычно предусматривают средства устранения смещения в корпусных операционных усилителях. Обычно два дополнительных вывода на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра. Эти выводы обозначаются как смещение нуля и используются следующим обобщенным образом:

Схема смещения нуля операционного усилителя Схема смещения нуля операционного усилителя

На одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, выводы смещения нуля – это выводы 1 и 5 на 8-выводном DIP корпусе. Другие модели операционных усилителей могут использовать другие выводы для смещения нуля и/или потребовать немного отличающиеся схемы подключения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не предоставляют выводов смещения нуля! Подробности смотрите в технических описаниях от производителей.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокие импедансы. То есть входные токи, поступающие или выходящие из двух входных сигнальных выводов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем на операционном усилителе мы относимся к ним так, как будто их вообще нет. Мы анализируем схему, как если бы ток, входящий или выходящий из входных выводов, был равен абсолютному нулю.

Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторами на входах, должны пропускать некоторый ток через свои входные выводы, чтобы их внутренние схемы были правильно смещены. Эти токи, логично, называются токами смещения. При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут вызывать проблемы. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных условий:

Усиление сигнала с термопары Усиление сигнала с термопары

На первый взгляд мы не видим никаких явных проблем с этой схемой. Термопара, создающая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (на самом деле, напряжение пропорционально разнице температур между измерительным переходом и «опорным» переходом, сформированным при соединении проводов сплава термопары с медными проводами, ведущими к операционному усилителю), управляет операционным усилителем либо в положительную, либо в отрицательную сторону. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между переходом на конце термопары и опорным переходом (около операционного усилителя). Проблема заключается в следующем: проводная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, поскольку оба тока пытаются идти одним и тем же путем (либо в операционный усилитель, либо из него).

Эта схема компаратора не будет работать Эта схема компаратора не будет работать

Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны соединить с землей один из входных проводов, таким образом обеспечивая путь к (или из) точке земли для обоих токов:

Эта схема компаратора будет работать Эта схема компаратора будет работать

Эта проблема необязательно очевидна, но очень реальна!

Входные токи смещения могут вызвать проблемы другим способом: нежелательные падения напряжения на сопротивлениях схемы. Возьмем для примера следующую схему:

Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения

Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, такая как приведенная выше, точно воспроизводит на выходе входное напряжение. Но что насчет сопротивления последовательно с источником входного напряжения? Если есть какой-либо ток смещения через неинвертирующий (+) вход, он вызовет некоторое падение напряжения на Rвх, таким образом, напряжение на неинвертирующем входе будет не соответствовать фактическому значению Vвх. Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроамперов, поэтому падение напряжения на Rвх будет не очень большим. Одним из примеров приложения, где входное сопротивление (Rвх) может быть очень большим, является то, которое имеет электроды pH-пробника, где один электрод содержит ионно-проницаемый стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы ом).

Если бы мы на самом деле строили схему на операционном усилителе для измерения напряжения на pH электроде, мы бы, вероятно, захотели использовать операционный усилитель с входами на полевых (FET или MOSFET, IGFET) транзисторах, вместо операционного усилителя с входами на биполярных транзисторах (для уменьшения входного тока смещения). Но даже тогда, могут оставаться небольшие токи смещения, которые могут вызывать ошибки измерений, поэтому мы должны найти какой-то способ уменьшить их с помощью хорошего проектирования.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. В действительности, они часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называется током входного смещения. Если они одинаковы, тогда мы должны иметь возможность убрать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив сопротивление равной величины последовательно с другим входом, например:

Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении

При добавлении в схему дополнительного сопротивления выходное напряжение будет ближе к Vвх, чем раньше, даже если есть некоторое смещение между этими двумя входными токами.

И для схемы инвертирующего усилителя, и для схемы неинвертирующего усилителя компенсирующий резистор помещается последовательно с неинвертирующим (+) входом, чтобы компенсировать падения напряжения в цепи делителя из-за тока смещения.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения 2 киловатный

Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления параллельного сопротивления R1 и R2. Почему значение равно параллельному эквиваленту R1 и R2? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, насколько большое падение напряжения будет создаваться током смещения инвертирующего (-) входа, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри ОУ и закорачивал все источники напряжения (Vвх и Vвых). Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R1 и через R2, оба на землю). Мы хотим дублировать эффект тока смещения на неинвертирующем (+) входе, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для вставки последовательно с этим входом, должно быть равно R1 параллельно с R2.

Связанная с этим проблема, которую иногда испытывают учащиеся при изучении построения схем на операционных усилителях, вызвана отсутствием соединения источника питания с общей землей. Для правильной работы ОУ необходимо, чтобы какой-либо вывод источника питания постоянного напряжения был общим с точкой «земли» входного сигнала(ов). Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока(ов) обратной связи, а также для (выходного) тока нагрузки. Возьмем для примера следующую схему, показывающую источник питания, правильно соединенный с землей:

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя

Здесь стрелки обозначают путь протекания токов через батареи источника питания, как для питания внутренних схем операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который управляет выходным напряжением), так и для питания петли обратной связи из резисторов R1 и R2. Предположим, что точка земли этого «раздельного» источника питания постоянного напряжения была удалена. Эффект от этого будет огромен:

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена.
Соединение источника питания с землей обязательно для работы схемы!

Никакие электроны не могут протекать в или из выходного вывода операционного усилителя, потому что путь к источнику питания заканчивается «тупиком». Таким образом, никакие электроны не протекают ни через точку земли слева от R1, ни через петлю обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может ни поддерживать ток через петлю обратной связи, ни через соединенную с землей нагрузку, поскольку нет никакого соединения какой-либо точки источника питания с землей.

Токи смещения также останавливаются, поскольку они полагаются на путь к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующем рисунке показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные выводы операционного усилителя, через выводы баз входных транзисторов и, в конечном счете, через вывод(ы) источника питания и обратно на землю.

Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе.
Пути протекания токов смещения показаны через источник питания

Без опорной точки земли на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути в схеме, и они будут остановлены. Поскольку биполярные транзисторы являются устройствами, управляемыми током, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, так как оба входных транзистора будут вынуждены уйти в режим отсечки из-за полного отсутствия тока базы.

Резюме

  • Входы операционного усилителя обычно проводят очень малые токи, называемые токами смещения, и необходимые для правильного смещения первого транзисторного усилительного каскада в схеме операционного усилителя. Токи смещения не большие по величине (в диапазоне микроампер), но достаточно большие, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
  • Токи смещения на обоих входах должны иметь пути для протекания к одной из «шин» источника питания или к земле. Недостаточно просто обеспечить проводящий путь от одного входа к другому.
  • Чтобы устранить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (так называемое компенсирующее сопротивление). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
  • Любое неравенство между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется током входного смещения.
  • Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-либо выводе источника питания была опорная точка земли, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока обратной связи и тока нагрузки.

Дрейф

Будучи полупроводниковыми устройствами, операционные усилители подвергаются незначительным изменениям в поведении при изменениях рабочей температуры. Любые изменения в производительности ОУ, связанные с температурой, относятся к категории дрейфа операционного усилителя. Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п.. Для более подробной информации смотрите техническое описание на конкретный операционный усилитель от производителя.

Чтобы свести дрейф операционного усилителя к минимуму, мы можем выбрать операционный усилитель, имеющий минимальный дрейф, и/или мы можем сделать всё возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать в себя обеспечение некоторой формы управления температурой для внутренней части оборудования, в которой размещается операционный усилитель(и). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Известно, что, например, в стандартных лабораторных опорных генераторах точного напряжения иногда используются «печи» (термостаты) для поддержания чувствительных компонентов (таких как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется высокая точность при обычных факторах стоимости и гибкости, это может быть вариант, на который стоит обратить внимание.

Резюме

Операционные усилители, будучи полупроводниковыми устройствами, подвержены изменениям температуры. Любые изменения в производительности усилителя, возникающие в результате изменения температуры, известны как дрейф. Дрейф лучше всего минимизировать с помощью управления температурой окружающей среды.

Источник