缩放模拟输入信号的三种方式

随着电子设备变得更加具有自我意识，针对电压缩放的需求也在增加。我不是在谈论人工智能，如“2001：太空奥德赛”中的Hal。我指的是具有更多自检的电子设备，这需要读取各种范围的许多电压。

缩放输入电压并非总像第一次那么容易（或复杂）。在本文中，我将介绍如何在最近的需将+/- 10 V信号缩小到0到2.5 V范围信号链设计中解决这个挑战，以匹配所有其他信号到模数转换器（ADC）。达到此目标的传递函数呈线性：VOUT = VIN / 8 + 1.25V。

解决方案1：

我的第一个想法是使用同相运算放大器（运放）电路。进行一些快速算术后，我确定了电路，如图1所示，需要1.43V偏置电源，且反馈/接地电阻比为-7/8。

图1：解决方案1模拟很好，但不可能实现

 

同相放大器增益公式为（1 + RF / RG）。若增益为+1/8，则电阻比为负。我不能购买一个-7k电阻，因此这是个大问题。我的运放的输入共模范围需低至-10V；这也是一个问题，因为我没有可用的负极电源。显然，在这种情况下，非反相运算放大器电路是不兼容的，但当所需的电压增益大于1时，它确实会工作。

解决方案2：

图2所示的五电阻运算放大器电路是差分放大器，其反相输入接地，同相输入端接1.25V。增益设置为1/8。输入共模范围为0V至2.22V，因此可使用单电源运放。

图2：解决方案2有用，但是有没有更好的解决方案？

 

解决方案3：

我不需要运算放大器来衰减信号。我可使用三个电阻 - A，B和C - 和电压源V执行所需的缩放任务。参见图3。

图3：这个简单的解决方案只使用三个电阻和现有电源

在我所举示例中，增益为1/8，偏移为1.25V。我将使用字母G和Z来表示增益和偏移（零输入的输出）；因此，G = 1/8和Z = 1.25V。我的电源电压V为3.3V。

那么，求解电阻器A，B和C的值（或比率）的最好方法是什么？我可使用电阻分压器规则VOUT = VIN * RI /（RG + RI），使用公式1和2计算G和Z：

|| 符号表示“并行”；例如，x || y是x*y/(x+y) 或 1/(1/x+1/y)。

使用电阻分压器规则解决这些方程将并不完美，因为很容易犯错。我知道 - 因为我犯过错。

涉及使用确定式的更清晰的方法是使用三个方程式以[x1a + x2b + x3c =常数]的形式求解三个未知数。

为让我的生活更便利，我将电阻[A，B，C]变为电导[1 / A，1 / B，1 / C] = [a，b，c]。

我使用Kirchhoff的电流定律来创建基于所需电压增益的第一个方程。我设置VIN = 1VAC，使G = VOUT。参见图4。公式3是交流电流公式：

 

图4：基尔霍夫方程3的电流原理图

 

我使用基尔霍夫电流定律来创建基于所需电压偏移的第二个方程。我设置VIN = 0V，VOUT = Z，这是0V输入的输出电压，见图5。因此，等式4是： 

图5：基尔霍夫方程4的电流原理图

 

您需要第三个方程，然后才能求解三个未知数中的三个方程。任何方程式都会有如此行为；例如，将电阻A设置为10k可得出公式5：

现在，您可使用确定式求解所有三个电阻，并同时将求解的电导[a，b，c]转换回电阻[A，B，C]。记住，G是增益，Z是0V输入的输出，V是电源电压。图6所示为使用三个方程的解。

图6：三个方程的解

 

手动求解确定式也可能导致数学错误，因此让Microsoft Excel或其他数学课程替您解决。我的解决方案是电阻[A，B，C] = [10k，2.52k，3.3k]。舍入到最接近的1％，电阻为[10k，2.55k，3.3k]。

若任何电阻值出现负值，表明解决方案不可构建，请尝试更改C电阻的电源（振幅和极性），并验证所需的增益是否小于1。

将解决方案3应用于多路复用通道ADC应用：

图7是我的终接电路，可用来缩放通道1的+ / 10V信号。原理图还包括一个SN74LV4051A 8通道输入多路复用器、TLV341A放大器/缓冲器和一个ADS7040 ADC。

图7：八通道模拟量比例解决方案（显示两个输入）

 

三电阻解决方案简单准确。但请记住，源信号的输入阻抗和置于输出上的负载阻抗将构成缩放器的一部分，并影响精度。

审核编辑：郭婷