简单的电阻偏置网络,让ADC能采集负压!

本期分享的电路来自一个开源的数据采集卡,标称参数如下:

  • 模拟电压输入范围: ±5V

  • 输入阻抗: 30KΩ

  • 硬件精度:0.1%

通过上面的参数可以看到,采集卡的模拟电压输入范围是-5V到+5V。下图的电路图摘取自开源的电路图中,电路功能为将-5V到+5V的输入电压转化为0~2.5V在ADC输入范围内的电压提供给ADC采集。

电路分析:

这个电路使用叠加定理是较为便捷的分析思路,按照叠加定理,可以将电路分解为两个电路,然后将两个电路的支点电压相加,即可得到最终的输出给ADC的关系式:

从上图叠加定理求取最终输出给ADC的公式为(VIN+5)/4,从公式中也可以看到电压偏移量为1.25V。所以说上图的电路就很巧妙的将-5V到+5V的电压挪到了ADC可以正常采集的范围内(0~2.5V)。下图为对VIN电压从-5V到+5V直流扫描,ADC_IN的输出电压的曲线,可以看到其输出电压与我们得到的公式保持一致。

不过这种电阻网络组成的电压偏移法有一个比较不好的地方就是其输入阻抗与偏压电阻网络的电阻阻值有极大的关系,电阻大输入阻抗大,电阻小输入阻抗小。并且其输入阻抗并非恒定值,输入阻抗与输入电压也存在相关性,说明书中的30K输入阻抗也只是一个估值,本电路的输入阻抗通过仿真可以看到其曲线如下所示:



由于一般的被测信号源输出阻抗都很小,所以说这个电路的输入阻抗并不值得诟病。但是如果说被测信号源的输出阻抗比较大,比如说5K,那么输入信号的输出阻抗就会和采集卡的输入阻抗分压,造成误差,这一点需要注意。总而言之,这个电压偏移法还是很经济实用的,非常推荐给大家使用。

另外扫描其输入电压及输出电压的关系如下:
电路功能为将-5V~+5V输入电压转化为0~2.5V电压给ADC采集,输出公式为Vadc=(Vin+5)/4,电路图如下所示:

这个电路也存在两个弊端:

  1. 输入阻抗低,由电阻分压网络决定。如果被测信号源的输出阻抗太大则会出现测量误差。

  2. 电路适用于被测的信号源支持灌电流及拉电流,如果仅支持拉电流则不行。如果被测的信号不支持灌电流,那么就会出问题,导致测量异常。

本期也是通过仿真说明,这个电阻网络电压偏移导致的弊端二。首先我们设置信号源电压为1V,由公式可得,给到ADC的电压为(1+5)/4=1.5V。由仿真也可以印证公式是正确的。可以注意到此时是会有25uA的电流灌入信号源的。

那么为了验证弊端二,我们需要搭建一个只支持拉电流不支持灌电流的电路,这个电路也非常简单,最简单的就是拿NPN型的三极管搭建一个设计输出的电路,这个电路在一些LDO的拓扑中也很常见。

那么我们也可以仿照这种形式搭建一个发射极输出的电路,让其输出电压为1V。下图的电路图非常好理解,即运放+NPN组成的扩流电路。发射极连接到反向输入端,所以发射极的最终输出电压会等同于同相输入端电源,最终输出1V。

那么我们下面将两个电路连到一起,用于模拟信号源无法灌入电流的情况,大家可以先选择最终输入到ADC的电压是多少?
那么此时就可以看出,由于信号源无法灌入电流(原本应灌入25uA),所以信号源仿佛就是断路一般,此时ADC的输入电压完全由2.5V在R1和R2分压决定,所以最终输出给ADC的电压就是(2.5*20)/30=1.666V。

好的,至此就完毕了,总而言之这个电路还是很实用的!推荐给大家使用。使用的时候也要注意上文提到的两点弊端。
拜拜!!~~~