Parece que su primera tarea será determinar qué tipo de señalización se está utilizando, por lo que necesita comenzar con un "osciloscopio de pobre" en forma de microcontrolador con ADC. Querrá usarlo para medir tanto el voltaje a través de los cables del sensor como la corriente a través de ellos; si los cables se utilizan tanto para la alimentación como para la comunicación, es probable que la forma en que se comunica sea aumentando y disminuyendo la cantidad de corriente que consume, en cuyo caso su información más útil vendrá midiendo la forma de onda actual.

Como observaste, el Arduino puede medir voltajes entre 0 y 5 voltios en sus puertos analógicos. Para medir un rango más amplio, hasta 24 voltios, necesitamos un divisor de voltaje, como este:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El funcionamiento básico de un divisor de resistencia es simple. Ignore 'Radc' por un momento y suponga que 'IN' está conectado a una fuente de voltaje. La corriente fluirá desde IN, a través de Ra y Rb, a tierra; la cantidad de esa corriente depende del voltaje en IN. Podemos calcular esto con i = Vin / (Ra + Rb). El voltaje donde se encuentran Ra y Rb dependerá de la corriente que fluya y del valor de Rb: es Vdiv = i * Rb.

Sabiendo esto, podemos construir un divisor para cualquier razón que queramos simplemente determinando los valores relativos de Ra y Rb. Pero ¿qué pasa con los valores absolutos? En principio podemos elegir la magnitud que queramos, pero en la práctica hay varias consideraciones importantes:

1. Es probable que 'In' no sea una verdadera fuente de voltaje, capaz de suministrar corriente ilimitada, sino que tenga su propia resistencia interna, a la que llamamos impedancia de salida. Si extraemos suficiente energía de él, hará que la entrada se hunda, produciendo resultados inexactos y afectando potencialmente al resto del circuito.
2. Disipar una gran cantidad de corriente a través de nuestro divisor mediante el uso de resistencias pequeñas también desperdicia mucha energía y produce mucho calor no deseado.
3. Es probable que nuestro dispositivo de medición tampoco sea perfecto. Nuestras ecuaciones anteriores asumen que el ADC no pone ninguna carga en el divisor de resistencia, pero eso no es correcto. Diferentes tipos de entrada cargarán lo que están midiendo en diferentes grados; aquí es donde entra Radc: es una representación de la carga que el ADC pone en el circuito, no un componente físico discreto. En el caso de un Arduino, podemos suponer que está en el rango de 10 kiloohmios a 100 kiloohmios, dependiendo de cosas como la frecuencia de muestreo.

El punto 1 anterior significa que queremos hacer que la impedancia de nuestro divisor de resistencia, la suma de los valores de ambas resistencias, sea mucho más alta que la impedancia de salida del circuito que estamos midiendo, para que no afecte nuestras medidas. El punto 3 anterior significa que queremos hacer que la resistencia que ve nuestro ADC (Ra, en este caso) sea mucho más pequeña que su propia impedancia de entrada, de modo que la impedancia del ADC no afecte las mediciones. Si es posible, queremos seleccionar un valor intermedio: una resistencia para Ra+Rb que sea más de, digamos, 100 veces la impedancia de salida del circuito de entrada, y una resistencia para Ra que sea menos de, digamos, 1/100 del ADC. Impedancia de entrada.

Pero, ¿y si esos dos requisitos están en conflicto? Ahí es donde entra un opamp.

Un opamp (amplificador operacional) ideal tiene una impedancia de entrada infinita (no perturba en absoluto la señal que está midiendo) y una impedancia de salida cero (su salida es una fuente de voltaje perfecta). Los amplificadores operacionales de la vida real difieren de este ideal en mayor o menor medida, pero para nuestros propósitos es lo suficientemente cercano a la realidad.

Podemos explotar estas propiedades para mejorar nuestro circuito de medición colocando el opamp entre el divisor de resistencia y la entrada ADC, así:

^{simular este circuito}

Ahora, nuestro divisor de resistencia 've' una impedancia de salida muy alta desde la entrada del Opamp, y nuestro ADC 've' una impedancia de entrada muy baja desde la salida del Opamp: ¡lo mejor de ambos mundos!

Elegir un amplificador operacional

Pero, ¿qué opamp necesitamos? Bueno, tenemos algunos requisitos:

1. Queremos poder alimentarlo desde el suministro de 5v de nuestro Arduino
2. Debe estar en un paquete fácil de soldar.
3. La entrada y la salida deben ir desde tierra hasta el voltaje de suministro; esto se denomina "E/S de riel a riel".
4. Debe estar fácilmente disponible y asequible.
5. Debería ser capaz de manejar señales hasta la velocidad máxima de nuestro ADC, alrededor de 10-20 KHz.
6. Su impedancia de entrada debe ser bastante alta.

Una búsqueda rápida en digi-key revela el MCP6241 , que admite voltajes de entrada tan bajos como 0,3 voltios por debajo del riel negativo y tan altos como 0,3 voltios por encima del riel positivo (5v), y voltajes de salida dentro de los 35 milivoltios de los rieles negativo y positivo , que es fácilmente lo suficientemente bueno para nuestros propósitos. Los pines de alimentación de este opamp se pueden conectar directamente a GND y VCC en el Arduino, con el resto cableado como se muestra en el diagrama de arriba.

¿Qué pasa con el divisor de resistencia? Bueno, la hoja de datos del MCP6241 dice que su impedancia de entrada es de 10 ¹³ ohmios, unos absurdos 100 teraohmios, o cien millones de megaohmios. Esto es alto incluso para un amplificador operacional, y significa que podemos usar un divisor de resistencia tan grande como desee, o eso cree.

Una última arruga al elegir el valor de nuestro divisor de resistencia es que tampoco vivimos en un mundo ideal cuando se trata de construir nuestro circuito. Los PCB no son aislantes perfectos, y tampoco lo son las placas de prueba; la contaminación de la superficie también afectará la resistencia, y si toca su circuito, puede garantizar que la resistencia a través de su piel sea mucho más baja que un teraohm. Todo esto significa que debemos elegir un valor de divisor de resistencia que sea mucho más bajo que el máximo teórico: una buena regla general es algo en el rango de 100 kiloohmios a 1 megaohmio.

Queremos dividir nuestra entrada para que 24 voltios de entrada sean aproximadamente 5 voltios de salida, lo que significa que necesitamos una proporción de 5/24 = ~ 20%. Supongamos que establecemos Rb en ​​100 kiloohmios; eso significa que Ra debería ser 4 veces más grande, o alrededor de 400 kiloohmios. 402 kiloohmios es un valor fácilmente disponible, lo que nos da una relación de división final de 100/(100+402) = 19,9 %, lo que significa que 24 voltios de entrada se medirán como 4,78 voltios de salida.

Corriente de medición

Todo lo anterior tiene como objetivo permitirle medir fácilmente una señal de 24 voltios en su microcontrolador sin perturbar mucho la entrada. Si desea medir una corriente, su vida es mucho más simple: determine el rango probable de corrientes que desea medir y elija una resistencia que cree una caída de voltaje pequeña pero medible en esos niveles. Con su sistema de 24 voltios, cualquier cosa de hasta 1 voltio puede ser aceptable. Luego, coloque esa resistencia entre tierra y el cable negativo de su sensor, y mida el voltaje a través de él directamente con su ADC, o a través del opamp sin el divisor de resistencia si lo desea.

El ADC estará feliz con < 10K de impedancia de fuente. Si tiene un divisor de voltaje R1 R2 conectado a una fuente de voltaje, la impedancia de la fuente es 1/(1/R1 + 1/R2).

La relación debe estar cerca de 3,8:1 para la aplicación.

Entonces puede elegir R1 = 38.3K 1% y R2 = 10.0K 1% (de los valores estándar E96 ).

La impedancia de la fuente (vista por el ADC) es de 7,9 K, la relación es tal que 24 V -> 4,98 V.

Siempre que una carga de 48 K (10 K + 38,3 K) no afecte indebidamente su señal de 24 V, debería estar bien.

Una pregunta particular que tengo es sobre el hecho de que el ADC y la señal del sensor de 24v que estoy tratando de conectar es que tienen diferentes fuentes de energía y aparentemente esto es un problema porque no comparten la misma GND.

Sí, esto es definitivamente una preocupación. Si las conexiones a tierra de los sistemas de 24 V CC y 5 V CC están galvánicamente aisladas entre sí y deben permanecer así por motivos de seguridad, deberá utilizar un circuito amplificador de aislamiento (por ejemplo) para conectar de forma segura el voltaje reducido proporcionado por la salida del divisor de voltaje resistivo en el lado de 24 VDC a la entrada ADC en el lado de 5 VDC.

Sampled 24V out -> [IA] -> ADC in (5V side)

Para obtener más información, realice una búsqueda en Internet en galvanic isolationy isolation amplifier IC, por ejemplo.