¿Cómo mido un voltaje negativo con un ADC?

Estoy trabajando con un microcontrolador PIC con ADC de 10 bits incorporado y quiero medir un voltaje en el rango de -1 a -3 voltios.
Pensé en usar un amplificador operacional en el modo de inversión para hacer que el voltaje sea positivo y luego alimentarlo al adc del microcontrolador; sin embargo, aquí tendría que alimentar el amplificador operacional con una fuente de alimentación negativa, ¿verdad? No quiero usar una fuente de alimentación negativa en este momento y me preguntaba si era posible lograr esta configuración. ¿Puedes ayudar?

el -1 a -3V que estoy midiendo es la salida de un LM337 que quiero monitorear.
No tengo suficientes detalles para desarrollar una respuesta completa, pero si su PIC tiene un pin VREF- (voltaje de referencia negativo), probablemente pueda hacerlo directamente, sin un inversor adicional, mediante el uso creativo de los voltajes de referencia.

Respuestas (7)

Un amplificador inversor no necesita un riel negativo para invertir el voltaje.

gschem

Trate de pensar en sus rieles de alimentación como lo que suministra su salida. Si observa el circuito, todos los pines del amplificador operacional están vinculados a un voltaje de 0V o superior. Cuando entre su rango de -1 a -3, aparecerá exactamente lo contrario de 1 a 3 en la salida. Esto también le brinda algunas ventajas como búfer, ya que la impedancia de entrada de su pin no afectará mucho este circuito (siempre que R en ||R f sea grande).

Estoy de acuerdo en que un divisor de resistencia simple hace el trabajo, solo para hacerle saber que esto también funciona.

+1: esta es la forma correcta de hacerlo si no tiene un ADC que reciba entradas negativas.
¡Guau!, ¡esto es fantástico!
No, los rieles del amplificador operacional son los límites de su salida. Donde un amplificador operacional de riel a riel irá muy cerca de los límites. Usted podría, y muchos lo han hecho, pasarse la vida diseñando amplificadores operacionales. No existe un amplificador operacional perfecto, pero normalmente existe un amplificador operacional perfecto para un caso específico.
En esa nota, en esta configuración, si supera alrededor de -Vcc como su entrada, su salida llegará al riel Vcc. Algunos amplificadores operacionales no estarán a un voltio o más del riel, algunos amplificadores operacionales estarán a 50mV. Si obtiene una señal de entrada más grande, divídala por una cantidad mayor, si tiene una señal de -1 a -10 V, divídala por 2, problema resuelto.
@Kortuk: nunca hay un amplificador operacional perfecto para ningún caso. Sin embargo, existe el mejor amplificador operacional de la selección disponible, cuando se tiene en cuenta el precio, para cada proyecto.
@Nombre falso, creo que este es un caso de error de comunicación. Si cumple con las especificaciones que necesita y es asequible, entonces tiene el amplificador operacional perfecto. Esa sería mi redacción, aunque entiendo lo que quieres decir. Acepto la limitación y uso perfecto porque soy positivo. <3
@Kortuk: estoy siendo pedante. Lo perfecto nunca es posible dado que vivimos en la realidad. sólo se puede aspirar.
@Fake Name, una de las definiciones de perfecto es satisfacer todos los requisitos. Si todos obtienen lo que necesitan, entonces tiene una solución "perfecta".
@Kortuk - Guau. Al parecer, mis requisitos son más estrictos. Nunca tengo nada que satisfaga todos mis requisitos, solo lo suficiente para que funcione.
Ja ja. aceptaré eso. Sigo la idea de que si el cliente está contento y el sistema se puede mantener, entonces es perfecto.
Yo llamaría a eso simplemente lo suficientemente bueno.
@Kortuk No lo sé, pero parece que este esquema se estropeó por alguna razón, o es mi navegador; No puedo verlo bien.
@Kevin: creo que lo que te estás perdiendo (y esta respuesta realmente no explica) es que el pin de entrada del amplificador operacional se mantendrá en cero, por lo que no excederá el rango permitido. Hay una caída de voltaje tanto en Rin como en Rf, por lo que el amplificador operacional no ve a Vin.
@BenVoigt, sí, me doy cuenta de que lo dije pero no me tomé el tiempo de explicarlo. Lo siento por eso.
Sin embargo, ¿qué sucede cuando el voltaje de entrada cae por debajo del riel negativo?
@Mike Eso es exactamente lo que explica toda la respuesta y todos los comentarios. No estoy seguro de cómo es posible explicarlo más.

Podría usar un divisor de voltaje, con un extremo colgando del riel de suministro positivo. Digamos que tiene uno con resistencias iguales y una fuente de alimentación de 5V, esto dará como resultado un voltaje entre +2V y +1V para su rango de -1 a -3V.

+5V +
    |
    R
    |
    +-- OUT
    |
    R
    |
IN -+
Esto requerirá que el terminal IN absorba una corriente de (5-Vin)/(2R), por lo que deberá elegir R lo suficientemente grande como para no sobrecargar la entrada con una corriente no deseada. entonces, su entrada ADC deberá tener al menos un orden de magnitud más de impedancia de entrada que el valor R, para no cargar indebidamente la red divisoria. Todo lo cual puede (o no) ser posible. ¡A las hojas de datos!
-1: será mejor que uses resistencias de precisión y una referencia de precisión para 5V.
+1 por ser la forma más barata y sencilla. Pero como dice Jason S, la precisión requerirá esfuerzo, si eso importa.
Cualquier ruido en su riel positivo aparecerá en su ADC.
Si el voltaje de referencia no está presente (p. ej., la MCU no está encendida), la entrada puede volverse profundamente negativa con respecto a la tierra, dañando la entrada o la MCU en su totalidad.

La idea del divisor de voltaje es agradable, barata, pero le plantea el problema de que un cambio en el voltaje que se va a medir se verá como la mitad del cambio en la entrada del ADC. Si las mediciones precisas son de interés, la solución es un diodo zener como la mitad inferior del divisor. Si lo que se está midiendo puede tolerar la pérdida de un poco de corriente, funcionará muy bien. Los Zeners no son absolutamente planos en su voltaje de ruptura inversa, especialmente para corrientes muy pequeñas, así que no haga que R1 sea demasiado grande.

Ahora para ver si este sitio de stackexchange me permite agregar imágenes...

texto alternativo

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Simulado en QUCS

Este es el circuito estándar para ese tipo de conversión. Lo simulé para demostrarle a alguien que funcionaba, de ahí el esquema SPICE. Debe elegir los valores de resistencia apropiados, funciona siempre que sean 2R, 2R y R.

Estoy en un trabajo (no electrónico) en este momento, sin software electrónico práctico ni libros, por lo que esta será solo una idea aproximada. Tal vez alguien más pueda completar los detalles...

Pruebe un espejo actual usando un par de transistores PNP que cuelgan en el riel Vcc. Alimente la señal de voltaje negativo al lado de entrada del espejo a través de una resistencia apropiada. Luego, la misma corriente debería fluir a través del transistor de salida del espejo. Con una resistencia bien elegida, crea un rango de voltaje dentro de 0V a Vcc.

EDITAR - NUEVO: Aquí está el esquema del espejo actual. Cualquier corriente que pase a través del transistor T1, T2 intentará hacer que fluya la misma corriente. El voltaje negativo que se va a medir, en relación con la fuente de alimentación que elegí al azar para ser 15v, crea un goteo de corriente a través de R1 (medido en simulación como "corriente de entrada"). Si R2 fuera igual que R1, encontraría el mismo voltaje en él, si se le permitiera. Pero está conectado a 0V (gnd): nuestro circuito se basa únicamente en un suministro positivo. No funcionará a menos que hagamos R2 más pequeño, digamos 1/2 de R1, entonces el voltaje a través de él será 1/2 de lo que sea que esté a través de R1. Mídelo, haz matemáticas (¡guau, multiplícalo por 2, difícil!) y listo. El esquema tiene diferentes valores, una proporción diferente texto alternativo, pero creo que todos podemos manejar las matemáticas para esto.

La ventaja de esto sobre un divisor de voltaje simple es que 1) parece más complicado, 2) es un truco común en el diseño de circuitos integrados analógicos. Como escribí otra respuesta usando un diodo Zener, ahora no estoy seguro de por qué esto es mejor, pero es una alternativa a un divisor de voltaje y puede permitir obtener diferentes rangos de voltaje o algo así. Ahora dejo que otros comenten sobre la sabiduría o la estupidez de esta idea...texto alternativo texto alternativo

No pude entender lo que quisiste decir aquí, un enlace a un esquema ayudaría.
Bien, ahora tengo tiempo... y mientras lo pienso, no estoy seguro de por qué es mejor que algunos circuitos más simples, excepto que el diseño detallado podría funcionar mejor numéricamente, tal vez. El esquema se adjuntará pronto.
Me doy cuenta de una vieja pregunta, pero ... Este circuito se basa en que la curva de voltaje del emisor base frente a la corriente del colector de los dos transistores es la misma, de modo que la misma corriente fluye en cada uno de los dos colectores de transistores. Esa sería una buena suposición en un IC donde los transistores se pueden hacer coincidir bien (y están a la misma temperatura), pero no para dos transistores discretos. El circuito puede hacerse menos sensible a este problema colocando resistencias coincidentes en serie con los emisores.

Es posible que ni siquiera necesite un amplificador operacional. Algunos ADC (como el MCP3304, consulte la hoja de datos: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21697e.pdf ) tienen un modo diferencial incorporado, donde el ADC devuelve la diferencia de dos canales, que puede ser un número negativo Si vincula un canal a tierra (llamado modo pseudodiferencial), el ADC puede aceptar un voltaje de entrada negativo en el otro y traducirlo a un número negativo, todo sin necesidad de un voltaje negativo.

Por supuesto, esto solo se aplica si su ADC admite este tipo de cosas. Muchos no tienen modo diferencial en absoluto.

¿Has revisado la hoja de datos de esta parte? De la hoja en la sección de clasificaciones máximas absolutas: "Todas las entradas y salidas con VSS ............... -0.3V a VDD +0.3V" Eso significa que no puede tener un negativo voltaje en las entradas o cualquier otro pin para el caso. ¿Por qué? porque los diodos de protección de entrada se encenderán y evitarán que la pieza se queme. Esto no responde a la pregunta, la pregunta era ¿cómo puedo medir un voltaje negativo? No se puede medir un voltaje negativo con esta parte.

Creo que ya hay muy buenas respuestas, pero me gusta publicar otro enfoque, que me estoy usando para hacer básicamente lo mismo.

¿Podría usar un amplificador operacional de instrumentación (como un LT1167)? Sin embargo, necesitaría el riel negativo, pero ¿esto no le daría más precisión? y también mejores formas de amplificar el voltaje si se desea simplemente agregando una resistencia.

agregar el riel negativo es tan fácil como agregar algo como un minmax MCW03-05D05.

El problema que tengo con el uso de resistencias es que es muy difícil encontrar resistencias idénticas, lo que le daría un error que tendría que corregir.

Esa es una forma bastante costosa de hacer algo simple.
sí, pero supongo que depende de la precisión que uno quiera
Usted mismo dijo que las resistencias son la fuente principal del error. Usar una pieza más costosa, junto con la necesidad de agregar algún tipo de riel negativo, no soluciona eso. Usar resistencias con mayor precisión tiene más sentido.
bueno, si no hay necesidad de amplificación, no hay necesidad de ninguna resistencia. También es solo otra forma de hacerlo, no digo que sea la forma correcta de hacerlo para cualquier aplicación, pero en algunos casos podría ser mejor renunciar a no usar un riel negativo.
¿Cómo mido un voltaje negativo con un ADC?
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