Desplazamiento de nivel de tensión negativa a un ADC

Question

Actualmente estoy construyendo un proyecto que utiliza un AD595 chip de dispositivos analógicos para linealizar la salida del sensor Termopar a 10mv/deg C. Esta salida se conectará a la entrada ADC de una radio Zigbee, con una entrada máxima de 1.2v. Dado que la entrada Zigbee determina el rango, esto lograría un rango de temperatura de 0-120 grados. Ahora estoy tratando de ajustar este diseño para detectar también la temperatura negativa.

El chip AD595 puede funcionar como doble alimentación conectando -5v y +5v, para dar salida positiva y negativa, sin embargo la radio zigbee no acepta una entrada de voltaje negativo. Creo que ahora necesito colocar en el diseño un amplificador sumador no inversor para "cambiar de nivel" el rango de modo que "-1.2v - 0v - 1.2v" se convierta en "0v - 0.6v - 1.2v" y pueda ser interpretado por el ADC. Soy bastante nuevo en esto y no estoy seguro de por dónde empezar, siendo especialmente difícil el uso de un voltaje negativo.

Hasta ahora he usado un divisor de voltaje en la salida para producir una salida de 5mv/deg C aumentando así el rango de temperatura a 0-240 deg C. Tendré una alimentación regulada de 5V (ad595), 3.3V (para zigbee) y -5V (para dual).

Si alguien pudiera ayudarme o indicarme recursos que merezcan la pena se lo agradecería mucho.

Gracias.

Answer 1

Aquí tienes una configuración de opamp inversor de alimentación única que hará lo que quieres. Usted necesitará un opamp capaz de la impulsión de la salida a su carril más bajo (usted querrá probablemente incluir un pequeño condensador a través de R2 para limitar anchura de banda, puesto que usted no necesita mucho para las lecturas del termopar)
R3/R2 puede ser necesario aumentar con el fin de no cargar termopar dependiendo del tipo - EDIT, acabo de notar la salida proviene de la AD595, por lo que es probablemente de baja impedancia (no comprobado hoja de datos) y bien como está:

R3/R2 simplemente dividen la tensión de entrada por 2. R1 y R5 presentan 400mV a la entrada positiva. Como el amplificador óptico intenta mantener las dos entradas iguales, crea un desplazamiento de nivel. Por ejemplo, cuando hay -1,2V en la entrada, para mantener la entrada inversora a 400mV, tiene que haber 1,2V en la salida. Ahora podemos ver R3/R2 como un divisor de tensión con -1,2V en un extremo y +1,2V en el otro, obtenemos 2,4V a través de R3+R2, por lo que la tensión a través de R3 es:

2,4V * (R3 / (R2 + R3)) = 2,4V * (10kΩ / 15kΩ) = 1,6V y así:

-1,2V + 1,6V = 400mV

Puedes hacer los cálculos para los otros voltajes de entrada y ver cómo funciona en todo el rango (recordando que siempre hay 400mV en la entrada inversora, y efectivamente no fluye corriente en la entrada)

Otra forma de verlo es, digamos que tenemos -0,6V en la entrada. Sabemos que debe haber +0,4 V en el otro lado de R3, por lo que la corriente que fluye a través de R3 es:

(0,4V - -0,6V) / 10kΩ = 0,1mA

Ahora sabemos que ninguna de esta corriente fluye hacia la entrada inversora, por lo que debe fluir a través de R2:

5kΩ * 0,1mA = 0,5V

0,4V + 0,5V = 0,9V a la salida

Simulación:

Si lo necesitas no inversor, puedes hacerlo fácilmente en firmware o añadir un simple buffer inversor después de esto.

ZIGBEE ADC

Acabo de echar un vistazo a la hoja de datos Zigbee y es parece el Vref se fija en 1.2V (aunque hay pin Vref, no pude encontrar ninguna mención de cómo usarlo en la sección de IO analógico), así que tienes que trabajar con esto a menos que utilices un ADC externo (posiblemente de mayor resolución) y alimentes los datos al Zigbee. Es un ADC de 10 bits, por lo que 1,2V / 1024 = ~ 1,17mV LSB, que no será tan malo con el filtrado (que utilizan un corte bajo ya que tiene una señal que cambia lentamente desde el termopar)
Ten en cuenta que el ADC595 tiene un error de calibración de alrededor de +-1°C (o +-3%deg;C dependiendo de la variante que estés usando) por lo que la precisión absoluta no será excelente, pero podrías ir a por una resolución más alta como mencionas si quisieras.
Así que lee detenidamente los consejos de la hoja de datos del ADC595, presta atención a la disposición de la placa de circuito impreso (si es posible de 4 capas con plano de tierra sólido), mantén las señales digitales alejadas de las analógicas lo mejor que puedas y utiliza mucho desacoplamiento y todo debería ir bien.

Answer 2

El AD595 puede medir temperaturas negativas sin una fuente de alimentación negativa. Lo que en realidad necesita es un voltaje más negativo que su terminal COM. Cuando la hoja de datos dice "la salida es 0V a 0 grados", lo que quiere decir es, "la salida es 0V ". en relación con COM a 0 grados". No hay ninguna razón por la que COM deba ser la tierra de tu circuito. Por ejemplo, si quisieras que 0 grados fuera la mitad de tu voltaje de suministro, podrías hacer esto:

Desde la perspectiva del ADC595, COM es "tierra" y tiene tensiones de alimentación (conocidas como "ground" y \$V_{cc}\$ en otro lugar) de \$\pm \frac{1}{2}V_{cc}\$ . Que lo que el ADC595 conisders "tierra" es en realidad la mitad de \$V_{cc}\$ al resto del circuito no afecta en nada a su funcionamiento, salvo que ahora no necesitas también una alimentación de -5V.

Se trata de un simple divisor de tensión resistivo . R2 existe para calibrar cualquier diferencia entre R1 y R3. Usted podría utilizar solamente un pote, o solamente R1 y R3 también, dependiendo de cómo es cuidadoso usted necesita calibrar esto.

Esto introduce potencialmente dos errores: el primero es que Vcc puede no ser un voltaje estable. Si Vcc no está regulado lo suficientemente bien como para satisfacer tus requisitos de precisión, entonces puedes construir una fuente de tensión más estable para utilizar en lugar de Vcc. Eso es suficiente problema para merecer otra pregunta. Pero también puede que tu ADC esté referenciado a Vcc, en cuyo caso esto es una ventaja, no un problema.

La otra es que la corriente que entra o sale de COM cambiará tu referencia de voltaje. La corriente debe ser pequeña, por lo que esto no debería ser un gran error. Cuanto más pequeñas hagas las resistencias, menor será este error, pero también más potencia desperdiciarás en el divisor de tensión. Para eliminar este error, puedes búfer la salida del divisor de tensión antes de conectarlo a COM.

Consulta también la sección de la hoja de datos "PRINCIPIOS Y LIMITACIONES DE LA RECALIBRACIÓN". En ella se explican las formas de cambiar la ganancia y el punto cero del amplificador interno.