Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Konwersja 0...20V -> 0...5V, podział napięcia dla wejścia

MES Mariusz 28 Lis 2009 23:19 2081 11
  • #1 28 Lis 2009 23:19
    MES Mariusz
    Poziom 36  

    Witam. Potrzebuję mierzyć za pomocą mikrokontrolera napięcia z zakresu 0...20V. Oczywiście potrzebuję podziału napięcia, gdyż za pomocą mikrokontrolera mogę dokonać pomiaru napięcia co najwyżej z zakresu 0...5V.

    Dzielnik napięcia na rezystorach nie wchodzi w grę, gdyż samym sobą będzie stanowił ingerencję w mierzone napięcie.

    Z elektroniką analogową nie mam wielkiego doświadczenia praktycznego, pamiętam jednak, że sam kiedyś stosowałem wzmacniacz różnicowy w podobnym celu tyle, że tam mierzyłem napięcia z zakresu -5V...+5V, zatem dokonywałem dwóch operacji (przesunięcie napięcia o 5V w górę oraz podział (mnożenie przez 0,5)).

    W tym celu dla schematu:

    Konwersja 0...20V -> 0...5V, podział napięcia dla wejścia

    Ze wzoru:

    Konwersja 0...20V -> 0...5V, podział napięcia dla wejścia

    Przy założeniu:

    Konwersja 0...20V -> 0...5V, podział napięcia dla wejścia

    Otrzymuje się:

    Konwersja 0...20V -> 0...5V, podział napięcia dla wejścia

    Dla konwersji -5V...+5V do 0V...+5V przy założeniu że Uwe2 to wejście pomiarowe, wystarczy, w celu przesunięcia napięć o +5V w górę Uwe1 ustalić jako -5V (jednocześnie taki sam minus zasilania WO), a w celu usyskania podziału zastosować wartości np. R2=R4=50k, R1=R3=100k.

    W przypadku konwersji 0V...20V -> 0V...5V nie potrzebuję przesuwać napięcia, zatem Uw1 ustalam jako masę = 0V (zatem minus WO będzie miał potencjał masy więc będę zasilał WO napięciem niesymetrycznym dodatnim) i zastosuję podział 0,25, czyli np. R2=R4=25k, R1=R3=100k.

    Teoretycznie powinno działać.

    Prosiłbym bardziej doświadczonych i obytych z techniką analogową kolegów o sprawdzenie poprawności toku myślenia, jak również wszelkie sugetie na temat tego, czy np. stosowanie wzmacniacza różnicowego do osiągnięcia konwersji napięć 0V...20V -> 0V...5V jest rozwiązaniem optymalnym? Może warto zrobić to inaczej?

    0 11
  • #2 29 Lis 2009 00:01
    krzyjak
    Poziom 29  

    Kolego napisz co to za źródło, z którego chcesz dokonać pomiaru napięcia? Jaka jest jego rezystancja wewnętrzna. I co to za mikro kontroler, którym mierzysz napięcie. Jaka jest rezystancja wejściowa... podejrzewam, że multipleksera? Ach i na jakim poziomie dokładności miałby być dokonywany pomiar?

    0
  • #3 29 Lis 2009 00:08
    Macosmail
    Poziom 33  

    MES Mariusz napisał:


    Dzielnik napięcia na rezystorach nie wchodzi w grę, gdyż samym sobą będzie stanowił ingerencję w mierzone napięcie.



    Witam. Dowolny wzmacniacz w układzie nie odwracającym z tłumieniem równym 4. Np. wtórnik emiterowy z dzielnikiem napięcia na wyjściu. Pozdrawiam.

    0
  • #4 29 Lis 2009 08:35
    MES Mariusz
    Poziom 36  

    krzyjak napisał:
    Kolego napisz co to za źródło, z którego chcesz dokonać pomiaru napięcia?

    Urządzenie ma mieć możliwość nadzorowania napięć w krytycznych punktach systemu, np. napięcie akumulatora, napięcie zasilania, napięcie na wejściu zasilacza buforowego, napięcie na jego wyjściu itp.

    krzyjak napisał:
    Jaka jest jego rezystancja wewnętrzna.

    Hmm... Różna? ;)

    krzyjak napisał:
    I co to za mikro kontroler, którym mierzysz napięcie. Jaka jest rezystancja wejściowa... podejrzewam, że multipleksera?


    ATMEGA16, z 10bit przetwornikiem A/C. Wejścia portu A wewnętrznie multipleksowane.

    krzyjak napisał:
    Ach i na jakim poziomie dokładności miałby być dokonywany pomiar?

    Tyle, ile się da wycisnąć z 10 bit przetwornika A/C.

    0
  • #5 29 Lis 2009 12:22
    krzyjak
    Poziom 29  

    Co to znaczy, że rezystancja wewnętrzna źródeł jest różna? Dla różnej rezystancji źródeł nie da się zaprojektować toru pomiarowego. Bywa, że źródła, z których chcemy dokonywając pomiary mają ogromną rezystancję. Jaka jest maksymalna rezystancja wewnętrzna źródeł, których chcesz mierzyć? A jeśli chodzi o dokładność pomiarów, to jeśli umieścisz jakikolwiek układ w torze pomiarowym, to on powiększy Ci całkowity błąd pomiaru. Może się ukazać, że ten dodatkowy układ będzie wprowadzał tak duży błąd, że błędy A/C będą pomijalnie małe.

    0
  • #6 29 Lis 2009 12:37
    Mariusz Ch.
    VIP Zasłużony dla elektroda

    MES Mariusz napisał:

    Urządzenie ma mieć możliwość nadzorowania napięć w krytycznych punktach systemu, np. napięcie akumulatora, napięcie zasilania, napięcie na wejściu zasilacza buforowego, napięcie na jego wyjściu itp.



    Litości. Wskazane źródła nawet nie odczują dodatkowego obciążenia prądem o wartości 0,5 ÷ 2mA.

    Pzdr.

    0
  • #7 29 Lis 2009 12:42
    Macosmail
    Poziom 33  

    Czyli zwykły dzielnik napięcia powinien załatwić sprawę. Plus ogranicznik napięcia wejścia A/C w postaci diody. Pozdrawiam.

    0
  • #8 29 Lis 2009 14:56
    MES Mariusz
    Poziom 36  

    Rzeczywiście w przypadku wskazanych przeze mnie źródeł wpływ dzielnika rezystorowego może mieć pomijalne znaczenie. Ale układ będzie bardziej uniwersalny (większe spektrum zastosowań), i mimo wszystko bardziej profesjonalny, jeśli jednak zadbam o maksymalnie dużą impedancję wejściową (jak w każdym innym woltomierzu). Wówczas będzie możliwy pomiar napięć i przy mniejszych prądach.

    Dobrym rozwiązaniem byłoby zapewne przed dzielnikiem zastosować wtórnik napięciowy zbudowany z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego, który z definicji ma na wejściu wielką impedancję:

    Konwersja 0...20V -> 0...5V, podział napięcia dla wejścia

    I dzielnik rezystorowy zrealizować na jego wyjściu.

    Ale skoro już wykorzystywać WO, może jednak skusić się na aplikację wzmacniacza różnicowego z pierwszego postu? Wzmacniacz i tak użyty, a na PCB można zostawić wolne miejsce na dodatkowe elementy (stabilizator napięcia ujemnego), pozostawiając możliwość realizacji przesunięcia napięcia, i rozszerzyć zakres pomiarowy o napięcia ujemne?

    Tyle, że WO z pierwszego postu był zasilany napięciami -5V (-) oraz +9V (+). Ponieważ w mojej aplikacji nie potrzebuję mierzyć napięć ujemnych, zatem nie przesuwam napięcia. Wówczas biegun (-) WO podłączam do masy 0V. Fajnie byłoby gdybym jako (+) nie musiał wykorzystywać napięcia 9V a 5V, ale nie jestem pewien czy mogę tak postąpić.

    0
  • Pomocny post
    #9 29 Lis 2009 16:42
    krzyjak
    Poziom 29  

    Kolego MES Mariusz. Piszesz "jeśli jednak zadbam o maksymalnie dużą impedancję wejściową". Czy sygnały, które kolega będzie mierzył będą zmienne w czasie? Ponieważ wtedy można mówić o impedancji. Impedancja nie jest wartością stałą lecz zależy m. in. od częstotliwości mierzonego sygnału. Niech kolega zastanowi się ile ma wynosić ta impedancja/rezystancja wejściowa. Oczywiście wzmacniacz operacyjny z otwartą pętla sprzężenia posiada dużą rezystancje wejściową różnicową oraz współbieżną. Te rezystancja ulega zmianie po zamknięciu pętli sprzężenia. Dlaczego kolega chce stosować wzmacniacz w układzie różnicowym? I jeśli chodzi o zasilanie takiego wzmacniacza to nie każdy wzmacniacz może pracować z niesymetrycznym napięciem zasiania. Jaki kolega chce zastosować wzmacniacz?

    0
  • #10 29 Lis 2009 18:44
    MES Mariusz
    Poziom 36  

    krzyjak napisał:
    Kolego MES Mariusz. Piszesz "jeśli jednak zadbam o maksymalnie dużą impedancję wejściową". Czy sygnały, które kolega będzie mierzył będą zmienne w czasie?

    Tak, o ile ładowany i rozładowywany akumulator nazwiemy przebiegiem zmiennym w czasie ;-). Tak więc w tym konkretnym przypadku będzie to przebieg (bardzo)wolno zmienny. W zastosowaniu o którym myślę źródłem dla dokonywanych pomiarów mają być (generalnie) akumulatory np. 12V 7Ah, i układy zasilania. Nawet, jeśli w tym przypadku zastosowania budowanego układu wymogi odnośnie zapewnienia wysokiej impedancji wejściowej nie są wygórowane, to bynajmniej nie zaszkodzi by były spełnione (czyż nie jest to podstawowym założeniem konstrukcyjnym każdego woltomierza - również woltomierza napięcia stałego?). Poza tym, kto wie, może kiedyś zaistnieje potrzeba wykonywania za pomocą tego samego hardware-u przebiegów wolno zmiennych o częstotliwości pojedynczych Hz?

    krzyjak napisał:
    Oczywiście wzmacniacz operacyjny z otwartą pętla sprzężenia posiada dużą rezystancje wejściową różnicową oraz współbieżną. Te rezystancja ulega zmianie po zamknięciu pętli sprzężenia.


    Konwersja 0...20V -> 0...5V, podział napięcia dla wejścia


    krzyjak napisał:
    Dlaczego kolega chce stosować wzmacniacz w układzie różnicowym?

    Bo (w przypadku gdy zaistnieje taka potrzeba) pozwoli to na łatwą adaptację hardware-u do pomiaru napięć przemiennych, a ja nic na tym nie tracę, w końcu i tak stosuję wzmacniacz operacyjny? Choć z drugiej strony chyba (stosując układ różnicowy) tracę nieco na parametrze wielkości impedancji wejściowej.

    krzyjak napisał:
    I jeśli chodzi o zasilanie takiego wzmacniacza to nie każdy wzmacniacz może pracować z niesymetrycznym napięciem zasiania. Jaki kolega chce zastosować wzmacniacz?

    Do realizacji układu z pierwszego postu stosowałem LM324.

    0
  • Pomocny post
    #11 29 Lis 2009 21:30
    Paweł Es.
    Pomocny dla użytkowników

    Kolego może ja Kolegę uświadomię, że:

    - mierniki uniwersalne ze średniej półki, mają rezystancję wejściową 10MΩ (10 000 000)

    - mierniki tanie, mają rezystancję wejściową rzędu 1MΩ ( 10 000 000)

    - mierniki wychyłowe (już dziś mało stosowane) uznawane za lepsze miały rezystancję np. wyrażaną jako np. 20kΩ/V co na zakresie 20V dawało rezystancję obciążającą źródło wynoszącą 400kΩ . Pobór prądu dla pełnego wychylenia wynosił 50 uA.

    Popularny kiedyś miernik Lavo2

    Wygląd:

    http://tzok.elektroda.eu/multimetr.php?typ=LAVO-2


    miał ok 3.4kΩ/V co na najbliższym 20V zakresie 30V dawało rezystancję 102 kΩ a na zakresie 20V gdyby go miał, miałby ok. 68kΩ rezystancji wewnętrznej (prąd przy pełnym wychyleniu wskazówki wynosił wtedy ok 300 uA).

    Jakoś powyższe wartości nie przeszkadzały nikomu używać ich do pomiarów, o ile oczywiście mierzący miał świadomość tej rezystancji obciążającej źródło napięcia i ewentualnych spadków napięć od pobieranego przez miernik prądu.

    Jeżeli źródło ma rezystancję Rw a woltomierz rezystancję Rv, to woltomierz (pomijając inne błędy) pokaże napięcie:

    Uv=E*\frac{Rv}{Rw+Rv}

    Błąd bezwzględny wskazania pomiędzy E i Uv powodowany przez powyższy dzielnik napięcia wynosi

    $$\Delta=Uv-E=-E*\frac{Rw}{Rw+Rv}$$

    jeżeli wyrazimy Rv=a*Rw, to wzór przyjmie postać:

    $$\Delta=Uv-E=-E*\frac{Rw}{Rw+a*Rw}=-E*\frac{1}{1+a}$$

    Poszukamy teraz minimalnej wartości a dla której przetwornik 10 bitowy nie zauważy powyższego błędu, tj:

    $$|\Delta|\ <\ \frac{q}{2}$$

    q - kwant przetwornika (wartość maksymalna Uwe/ilość rozróżnianych poziomów)

    czyli mamy, że

    $$\frac{1}{1+a}=\frac{1}{2048}$$

    z czego mamy, że jeżeli a będzie większe niż 2047 to już przetwornik nie będzie "widział" zaniżenia napięcia wprowadzanego przez dzielnik Rw/Rv.

    Czyli wystarczy, że Rv będzie wieksze niż 2047*Rw.

    Akumulatory mają rezystancję wewnętrzną zwykle dużo mniejszą od 1Ω aby pobierany prąd nie powodował zbytniego zaniżenia napięcia wyjściowego. Przeważnie oporności Rw są rzędu miliomów lub dziesiątek miliomów i wartość ta rośnie w miarę rozładowywania akumulatora powiedzmy do setek miliomów. Widać z tego, że już mający 205 omów dzielnik wejściowy spełniłby opisane wyżej rozważania.
    Oczywiście stosowanie tak małej wartości nie ma sensu, bo akumulator byłby rozładowywany sporym prądem.

    Jeżeli założymy, że zastosujemy rezystancję dzielnika rzędu 20kΩ/V to dzielnik będzie miał dla 20V -> 400kΩ a, że dla zakresu 5V przetwornika w Atmedze, to można zastosować dzielnik np. 301kΩ/100kΩ (rezystory z szeregu 1%)

    Dodatkowo miłą stroną Atmegi (w każdym razie wg karty katalogowej) jest bardzo duża rezystancja wejściowa przetwornika rzędu 100MΩ co spowoduje, że nie będzie on zbytnio obciążał nawet dzielnika złożonego z rezystorów o wartościach setek kΩ.

    Poza powyższym, ja bym zrobił zakresy wejściowe ciut szersze niż planowany zakres pomiarowy, wtedy unikasz osiągania maksimum zakresu w interesującym cię zakresie pomiarowym. Tak więc lepiej zrobić zakres do 25V (rezystory 422k/105k 1%).

    Po zmontowaniu układu doprowadzasz do wszystkich wejść pomiarowych to samo napięcie, mierzysz poszczególne wejścia przetwornikiem Atmegi a ewentualne błędy dzielników korygujesz współczynnikami korekcyjnymi, przez które mnożysz wynik z przetwornika przed dalszą obróbką.

    Przy kontroli stanu napięć akumulatorów nie ma potrzeby mierzyć z dokładnością większą niż 1/10 V !!!

    0
  • #12 30 Lis 2009 19:14
    MES Mariusz
    Poziom 36  

    W takim razie (podsumowując), z poczynionych wyżej wyliczeń rzeczywiście pozostaje mi pozostać przy najzwyklejszym dzielniku rezystorowym, a o WO pokusić się ewentualnie przy realizacji toru do pomiaru napięć przemiennych.

    Dzięki wszystkim za rozmowę, ale jeśli ktoś miałby ochotę jeszcze dorzucić coś do tematu, to chętnie poczytam.

    0