¿Cómo puedo hacer que la tensión de entrada del circuito tenga un rango dinámico de salida de 1-5 voltios?
el circuito tendrá Vref + y Vref- como máximo y mínimo para Vinput y luego escalará a salida de 1-5 voltios
la ecuación de salida será como Vout = (((Vin - Vref -) / (Vref + - Vref -)) * 4) +1
ej. si tengo Vref + = 6V, Vref- = -2V, y Vin = 3V como entrada y la salida será 3.5V y si cambio Vref + a 4V, Vref- a -1V y Vin la salida de 3V debe ser 4.2V
La clave de esta solución es utilizar la entrada Vref de un convertidor A / D adecuado para escalar el voltaje de entrada. Esta no es una solución totalmente analógica; pero a menos que su frecuencia, resolución y / o requisitos de latencia sean demasiado restrictivos ...
1) Use un amplificador diferencial para tomar la diferencia entre Vref + y Vref-. Esta será la entrada Vref a un convertidor A / D con un rango de voltaje de referencia adecuado (posiblemente ADS7816 por ejemplo). El amplificador diferencial deberá escalar la salida para que se encuentre dentro del rango máximo y mínimo permitido de Vref del convertidor A / D. El uso de la entrada Vref establece el valor de escala completa para Vin cuidando la división en su función de transferencia (salida A / D a escala completa cuando Vin = Vref +, y en 0 cuando Vin = Vref-). Tenga en cuenta que es posible que no encuentre un convertidor A / D que permita una entrada Vref hasta cero, pero el ADS7816 se especifica hasta 100mV (rango de Vref 100mV a 5V).
2) Use un amplificador diferencial para tomar la diferencia entre Vin y Vref-. Escale esto igual que el amplificador diferencial en el paso 1. La salida de este amplificador es la entrada de voltaje a su convertidor A / D.
3) Todo lo que queda es tomar la salida del convertidor A / D, convertirlo de nuevo a analógico con un convertidor D / A y aplicar el offset y la ganancia necesarios con un amplificador operacional para lograr un 1- Rango 5V (potes de calibración pueden ser útiles). Un microcontrolador simplificaría la interfaz entre los dos convertidores, pero realmente no necesita hacer nada más que cronometrar las conversiones y transferir los datos.
Una de las principales ventajas de esta solución sobre la lectura de Vref +, Vref y Vin por separado en un convertidor A / D es que este método utiliza el rango completo del convertidor A / D (asumiendo la misma resolución en el convertidor D / A) para la salida, independientemente de cuán cerca esté Vref + de Vref- (dentro de los límites mínimos de Vref mencionados anteriormente). En otras palabras, el número de pasos (resolución) para Vout, ya que varía entre 1 y 5 voltios, será el rango completo de los convertidores. Si se usan conversiones separadas para Vref +, Vref- y Vin; el número de pasos disponibles para Vout se limitará al número de pasos entre las conversiones A / D de Vref + y Vref-.
Como solo hay una conversión por muestra con esta solución, no tendrá que preocuparse por muestrear y mantener las tres entradas al mismo tiempo, o qué errores pueden aparecer si se muestrean en momentos diferentes.
Otra ventaja de este método es la velocidad. Dado que el microcontrolador no hace más que cronometrar las conversiones y transferir los datos, el principal factor limitante es la velocidad de los convertidores. Para otras soluciones, si el microcontrolador necesita hacer matemáticas (especialmente la división), ese tiempo debería ser considerado.
Una nota de aplicación útil sobre el uso de Vref para el escalado: TÉCNICAS DE ESCALADO DE REFERENCIA DE VOLTAJE
Analog Devices tiene una herramienta útil para diseñar y probar amplificadores diferenciales AQUÍ .
Para una mayor precisión y estabilidad, puede considerar el uso de amplificadores de instrumentación para sus amplificadores diferenciales.
La función de transferencia que obtuve es la misma que el OP agregado a la pregunta: -
\ $ V_ {OUT} = 4 \ veces (\ frac {V_ {IN} -V_ {REF -}} {V_ {REF +} - V_ {REF-}}) + 1 \ $
Lo primero es restar \ $ V_ {REF -} \ $ from \ $ V_ {IN} \ $, que es un ejercicio trivial con un amplificador operacional. Luego viene la parte más difícil y es escalar este resultado intermedio contra una base de \ $ V_ {REF +} - V_ {REF -} \ $.
Esto probablemente podría involucrar un multiplicador analógico configurado para la división. El divisor sería \ $ V_ {REF +} - V_ {REF -} \ $ y se esperaría que este fuera un número positivo, es decir, ref + es más grande que ref- pero sospecho que se podría hacer un circuito que funcione a través de una inversión donde ref - es más grande que ref + PERO ten cuidado cuando ref + = ref- porque entonces el divisor es cero.
Suponiendo que ref + sea siempre más grande que ref-, usaría otro circuito simple de sub-amplificador operacional para formar el segundo resultado intermedio. Luego iría en contra de mis ideales analógicos y engañaría con un PIC u otro MCU similar.
Ahora que estoy engañando, tiraría los amplificadores operacionales que hicieron la resta para dar los dos resultados intermedios y alimentar \ $ V_ {IN}, V_ {REF +} \ $ y \ $ V_ {REF- } \ $ en un PIC para hacer los cálculos.
Multiplica \ $ (\ frac {V_ {IN} -V_ {REF -}} {V_ {REF +} - V_ {REF -}}) \ $ por 4 y agrega 1. Trabajo finalizado.
Así que hemos descubierto la función de transferencia que estamos buscando es
\ $ V_ {OUT} = 4 \ veces (\ frac {V_ {IN} -V_ {REF -}} {V_ {REF +} - V_ {REF-}}) + 1 \ $
Desafortunadamente, esto significa dividir un voltaje por otro dinámicamente, lo que en realidad no es tan fácil de hacer.
Una forma sería usar log amps y restar para hacer la división. Desafortunadamente, los amplificadores de registro tienden a ser caros. Los que conozco cuestan más de $ 10 por amplificador en cantidades de aficionados.
Analog Devices proporciona una solución de un solo chip en AD538 (Esta podría ser la parte mencionada por Andy en su respuesta). Esta parte utiliza el registro y los amperios de registro interno y cuesta más de $ 40 cada uno en un volumen bajo.
Una posible solución de menor costo que encontré en una búsqueda web es utilizar la conversión de voltaje a frecuencia y frecuencia a voltaje. Es bastante fácil dividir las frecuencias usando contadores, por lo que esto evita el problema de tener que dividir los voltajes.
Si sus requisitos de latencia, precisión y precisión lo permiten, es probable que la solución más económica sea la conversión analógica a digital, la división numérica con lógica digital y luego la conversión al dominio analógico. Tenga en cuenta que incluso en el mundo digital, la división es un proceso de varios pasos que puede requerir varios ciclos de reloj, por lo que es probable que haya un retraso significativo entre la entrada y la salida con este enfoque.