Опорное напряжение что это?

Опорное напряжение

2.2.1.4. Опорное напряжение VREF

Напряжение, с которым сравнивают напряжение считывания обратной связи в целях контроля за стабилизатором.

Примечание. Это напряжение может быть обусловлено внутренней или внешней цепью.

Смотри также родственные термины:

3.1.22 опорное напряжение (при оценке провалов, прерываний напряжения и перенапряжений): Значение напряжения, применяемое в качестве основы при установлении остаточного напряжения, пороговых значений напряжения и других характеристик провалов, прерываний напряжения и перенапряжений, выраженное в вольтах или в процентах номинального напряжения.

Примечание — В соответствии с требованиями настоящего стандарта опорное напряжение (при оценке провалов, прерываний напряжения и перенапряжений) считают равным номинальному или согласованному напряжению электропитания.

58. Опорное напряжение вихретокового преобразователя

Reference voltage of eddy current probe

Синхронное с сигналом вихретокового преобразователя переменное напряжение, подаваемое на один из входов фазочувствительного устройства

76 опорное напряжение индикации (газоразрядного знакосинтезирующего индикатора) в номинальном режиме; Uинд:

Амплитуда импульсов напряжения на электродах индикации газоразрядного знакосинтезирующего индикатора, при которой обеспечивается управление элементами отображения в режиме записи и стирания

77 опорное напряжение индикации (знакосинтезирующего индикатора) в режиме включения; Uинд.вкл:

Амплитуда импульсов напряжения на электродах индикации знакосинтезирующего индикатора, при которой обеспечивается свечение элементами отображения в режиме записи и стирания.

3.1.45 опорное напряжение радиосигнала (U): Значение напряжения радиосигнала, равное 1 мкВ.

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации . academic.ru . 2015 .

  • Опорное направление падения звуковой волны на звукоприемную поверхность микрофона
  • опорное напряжение (при оценке провалов, прерываний напряжения и перенапряжений)

Смотреть что такое «Опорное напряжение» в других словарях:

опорное напряжение — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN reference voltage … Справочник технического переводчика

опорное напряжение — эталонное напряжение; опорное напряжение Стабильное напряжение, с которым сравнивается машинная переменная … Политехнический терминологический толковый словарь

опорное напряжение — atskaitos įtampa statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. reference voltage vok. Bezugsspannung, f; Referenzspannung, f rus. опорное напряжение, n pranc. tension de référence, f … Automatikos terminų žodynas

опорное напряжение — atskaitos įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektrinė įtampa, kurios atžvilgiu nagrinėjama ar matuojama kita įtampa. atitikmenys: angl. reference voltage vok. Bezugsspannung, f; Vergleichsspannung, f rus. опорное… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

опорное напряжение — bandymo įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Nuolatinė arba kintamoji tam tikros vertės įtampa, kurią apibrėžtą laiko tarpą ir esant apibrėžtoms sąlygoms (be pramušimo) turi išlaikyti įtaisas, blokas, mazgas,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

опорное напряжение — atskaitos įtampa statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. reference voltage vok. Bezugsspannung, f rus. опорное напряжение, n pranc. tension de référence, f … Fizikos terminų žodynas

ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ — электрич. напряжение, относительно к рого отсчитывается другое напряжение. Источник О. н. должен обеспечивать его высокую стабильность. О. н. необходимо для прямого сравнения (в этом случае оно должно быть известным), для измерений относит.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

опорное напряжение интегральной микросхемы — опорное напряжение Напряжение, с которым сравнивается напряжение считывания обратной связи в целях контроля за интегральной микросхемой. Обозначение Uоп UREF [ГОСТ 19480 89] Тематики микросхемы Синонимы опорное напряжение EN reference voltage FR… … Справочник технического переводчика

опорное напряжение вихретокового преобразователя — Синхронное с сигналом вихретокового преобразователя переменное напряжение, подаваемое на один из входов фазочувствительного устройства. [ГОСТ 24289 80] Тематики контроль неразрушающий вихретоковый Обобщающие термины средства вихретокового… … Справочник технического переводчика

опорное напряжение индикации (газоразрядного знакосинтезирующего индикатора) в номинальном режиме — Uинд Амплитуда импульсов напряжения на электродах индикации газоразрядного знакосинтезирующего индикатора, при которой обеспечивается управление элементами отображения в режиме записи и стирания. [ГОСТ 25066 91] Тематики индикаторы… … Справочник технического переводчика

Источники опорного напряжения от компании Analog Devices

Компания Analog Devices производит около 600 модификаций источников опорного напряжения (ИОН), и рассмотреть их все, конечно же, невозможно. Поэтому в первую очередь рассмотрим недорогие ИОН ADR 01, ADR02, ADR03, и ADR06 с номинальными выходными напряжениями 10,0 В, 5,0 В, 2,5 В и 3,0 В соответственно, а завершим наш краткий обзор сведениями об AD780. Как и все другие ИОН, источники ADR 01, ADR02, ADR03 и ADR06 формируют опорные напряжения с помощью запрещенной энергетической зоны внутренних базовых p-n-переходов (band gap) транзисторов с разной площадью эмиттеров. ИОН серии ADR изготавливаются в компактных 8-выводных корпусах SOIC , а также в 5-выводных корпусах SC70 и TSOT. Малые габариты ИОН и широкий диапазон рабочих температур (–40…+125 °С) позволят им найти применение во многих приложениях, в том числе там, где на первый план выходит компактность печатной платы.

Начальная погрешность и температурный коэффициент зависят от исполнения ИОН, которое бывает трех типов: A, B и С. В зависимости от типа и исполнения микросхемы начальная погрешность варьируется в пределах 0,05–0,2%, а типовое значение температурного коэффициента находится в диапазоне 1–10 ppm/°С. Однако кроме типового значения существуют и максимальные значения, величина которых зависит уже от типа корпуса микросхемы. Например, в исполнении А типовое значение температурного коэффициента составляет 3 ppm/°С, но максимально возможная величина может достигать 10 ppm/°С для ИОН в корпусе SOIC и 25 ppm/°С для ИОН в корпусах SC70 и TSOT.

Это обстоятельство надо обязательно учитывать особенно в тех случаях, когда ИОН используется во всем рабочем диапазоне температур –40…+125 °С. Иначе вас может ожидать весьма неприятный сюрприз, и вместо температурной погрешности 3 ppm/°С × 165 °С = 495 ppm вы получите погрешность 25 ppm/°С × 165 °С = 4125 ppm. Напомним формулу для вычисления температурного коэффициента TCV:

где V(T2), V(T1) и V(+25 °С) — выходное напряжение при температуре Т2, Т1 и +25 °С соответственно.

В таблице указаны некоторые типовые параметры рассматриваемых ИОН. Заметьте, что нестабильность выходного напряжения зависит от температуры. Графики зависимостей можно найти в документации производителя.

Наименование микросхемы Диапазон входных напряжений, В Нестабильность выходного напряжения, ppm/В Нестабильность выходного напряжения по нагрузке ppm/мА Спектральная плотность шума, нВ√Гц Размах шума (от пика до пика), мкВ Ослабление пульсаций на частоте 10 кГц, дБ
ADR 01 12–36 7 40 510 20 –75
ADR02 7–36 7 40 230 10 –75
ADR03 4,5–36 7 25 230 6 –75
ADR06 5–36 7 40 510 10 –75

Особенно нужно отметить довольно высокий уровень ослабления пульсаций напряжения и широкий диапазон входных напряжений, причем максимальная величина напряжений может достигать 36 В. Последнее обстоятельство упрощает схему и снижает стоимость решений. Например, если требуется получить опорное напряжение 2,5 или 3,0 В, а на плате напряжение питания только 15 В, вам не придется создавать еще одну шину питания 5 В специально для ИОН, на его вход можно безбоязненно подавать напряжение 15 В.

В распределенной системе питания с нестабилизированной шиной 12 В, напряжение на которой может варьироваться в пределах 9–18 В, напряжение на входе ИОН не превысит максимально допустимую величину.

Конечно, при большом падении напряжения на ИОН возрастает мощность рассеяния, но для контроля температуры микросхемы предусмотрен специальный вывод TEMP, напряжение на котором пропорционально температуре микросхемы. Контроль напряжения на этом выводе позволит избежать перегрева сверх максимального значения +125 °С или другого заданного разработчиком предела.

Хотя для использования ИОН серии ADR не требуются внешние компоненты, будет не лишним установить на вход и выход микросхемы ИОН керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, как показано на рис. 1. Конденсатор на выходе увеличит стабильность и послужит фильтром выходных шумов, а на входе сократит время протекания переходных процессов и уменьшит пульсации питания. Если пульсации питания велики, то параллельно конденсатору 0,1 мкФ можно подключить электролитический или танталовый конденсатор 1–10 мкФ.

Вывод TRIM в микросхемах позволяет изменить их выходное напряжение. Простейший вариант подстройки выходного напряжения показан на рис. 2. Резистор R1 величиной 470 кОм позволит увеличить плавность настройки, потенциометр POT надо выбрать многооборотным, иначе не удастся произвести точную подстройку.

Напряжение на выводе TEMP изменяется пропорционально изменению температуры, однако надо учесть, что производитель не указывает точность измерения, поэтому следует использовать такое напряжение скорее как справочное значение, а не для точных измерений. При температуре +25 °С напряжение на этом выводе составляет примерно 552 мВ и при увеличении температуры на 20 °С повышается на 39,2 мВ. Таким образом, чувствительность достигает 1,96 мВ/°С. Следует иметь в виду, что вывод TEMP подключен к опорному напряжению band gap, а потому нагрузка на данном выводе должна быть минимальной. Лучше всего подсоединять этот вывод к схеме через буфер с большим входным сопротивлением.

В выходном каскаде ИОН серии ADR применяется схема Дарлингтона на биполярных n-p-n-транзисторах и ток собственного потребления практически не зависит от тока нагрузки. Соответственно, на основе ИОН можно создавать прецизионные источники тока. Довольно простая схема такого источника изображена на рис. 3. Потенциометр ABW величиной 100 кОм введен в схему для регулирования тока.

Нагрузкой источника является резистор RL. Величина тока нагрузки IL = VREF/RSET. При использовании ИОН в различных схемах, в том числе с операционными усилителями, следует помнить, что выход рассмотренных ИОН рассчитан на вытекающий ток и даже небольшой втекающий ток может привести к увеличению погрешности выходного напряжения. При выборе резисторов не забудьте обратить внимание на их ТКС, он должен быть минимальным.

Однако не всегда можно удовлетвориться параметрами рассмотренных выше ИОН. А потому компания Analog Devices предлагает ИОН с лучшими параметрами — в частности, AD780. Его выходное напряжение составляет 2,5 или 3,0 В и программируется коммутацией внешних выводов. В отличие от рассмотренных выше ИОН серии ADR ИОН AD780 содержит встроенный буфер, поэтому максимальные втекающие и вытекающие токи равны и составляют 10 мА, что упрощает схемотехнику узлов с использованием AD780.

Лазерная подгонка при производстве позволяет уменьшить начальную погрешность до 1 мВ или 0,04% полной шкалы в случае напряжения 2,5 В, а максимальный температурный дрейф, в зависимости от исполнения, составляет 3 или 7 ppm/°С, что также существенно лучше, чем у ИОН серии ADR. Это иллюстрируется рис. 4, на котором показана зависимость погрешности напряжения ИОН AD780 от температуры. Как видно из рисунка, почти во всем рабочем диапазоне температур погрешность не превышает 1 мВ.
Ну и конечно, нельзя не сказать о долговременной стабильности опорного напряжения. У ИОН серии ADR она составляет ±20 ppm/1000 ч, а серии ADR — 50 ppm/1000 ч.

Описанные ИОН могут найти применение в очень многих функциональных узлах аналоговых схем. Вот некоторые из них: опорное напряжение для АЦП, ЦАП и аналоговых компараторов, источники прецизионного тока для питания датчиков, мониторинг напряжения аккумуляторных батарей и другие.

Таким образом ИОН серии ADR01, ADR02, ADR03, ADR06 и AD780 компании Analog Devices схожи по характеристикам, но AD780 имеет программируемое выходное напряжение и встроенный буфер, что позволяет упростить конечную схему. В линейке компании Analog Devices огромное количество различных ИОН. В данной статье показано, что выбор ИОН может и должен осуществляться в зависимости от требований конкретного проекта, и на примере продукции Analog Devices продемонстрировано широкие возможности такого выбора.

Источник опорного напряжения обеспечивающий низкий уровень шума

Источник опорного напряжения: фильтр улучшающий отношение сигнал/шум 32-битного АЦП на 6 дБ

Источник опорного напряжения: для достижения оптимального отношения сигнал/шум на выходе АЦП недостаточно лишь подать на его вход сигнал с низким уровнем шума. Не менее важно обеспечить низкий шум источника опорного напряжения (ИОН).

Если в нижней части шкалы входных напряжений шумы ИОН не оказывают влияния на выходной сигнал, то при полной шкале любой шум источника опорного напряжения будет виден в выходном коде.

Вот почему динамический диапазон определенного АЦП, измеренный в начале шкалы, обычно на несколько децибел лучше, чем отношение сигнал/шум, измеренное в конце шкале или около него. Обеспечение низкого шума ИОН имеет особенно большое значение в приложениях передискретизации, где отношение сигнал/шум АЦП может превышать 140 дБ. Для достижения таких значений отношения сигнал/шум даже самым лучшим источникам опорного напряжения потребуется определенная помощь, чтобы снизить уровни их шумов.

Есть несколько альтернатив, способных уменьшить шум, который выдает источник опорного напряжения. Увеличение емкости блокировочного конденсатора на выходе ИОН или использование простого RC-фильтра нижних частот не могут быть хорошими альтернативами. Блокировочный конденсатор большой емкости на выходе опорного источника сам по себе не способен обеспечить достаточно низкую частоту среза, чтобы эффективно воздействовать на шум.

Пассивный RC-фильтр может обеспечить низкую частоту среза, но его выходное напряжение будет зависеть от частоты дискретизации и температуры. Эффективной альтернативой было бы параллельное объединение выходов нескольких малошумящих источников опорного напряжения, но этот вариант дорог и потребляет много энергии.

Описанный здесь фильтр, при умеренной стоимости и небольшом энергопотреблении, вырабатывает опорное напряжение с низким уровнем шума без существенного ухудшения точности или температурного коэффициента ИОН.

Источник опорного напряжения: описание схемы

В этом примере используется АЦП LTC2508-32 (U1). LTC2508-32 представляет собой малошумящий малопотребляющий 32-бтный АЦП последовательных приближений с цифровым фильтром нижних частот, коэффициент децимации которого может иметь четыре значения от 256 до 16384, выбираемых выводами микросхемы. Чтобы в полном объеме реализовать характеристики LTC2508-32, заявленные изготовителем микросхемы, необходим источник опорного напряжения с низким уровнем шумов и низким температурным дрейфом.

В качестве источника опорного напряжения в этом примере использована микросхема LTC6655-5 (U2). LTC6655-5 обеспечивает высокую точность (максимальная ошибка ±0.025%) и исключительно низкие значения шумов (типовое значение 0.67 ррт с.к.з.) и дрейфа (не более 2 рртГС). Но даже при столь исключительных шумовых характеристиках LTC6655-5 все равно ухудшит отношение сигнал/шум АЦП LTC2508-32.

LTC2057 (U3) — это операционный усилитель с нулевым дрейфом и подавленным фликкер-шумом (1/f). Входной ток смещения LTC2057 составляет менее 200 пА, максимальное напряжение смещения равно 4 мкВ, а температурный коэффициент напряжения смещения не превышает 0.015 мкВ/°С. Это значительно меньше, чем температурный коэффициент микросхемы LTC6655-5 (2ррт/°С = 10мкВ/°С).

Малошумящий операционный усилитель LT6202 (U4) отличается быстрым установлением и большой перегрузочной способностью, необходимой для зарядки блокировочного конденсатора 47 мкФ, который, согласно техническому описанию, должен быть подключен к выводу REF микросхемы LTC2508-32.

В схеме на Рисунке 1 выходное напряжение опорного источника U2 фильтруется элементами R2 и СЗ, образующим фильтр нижних частот с частотой среза 0.8 Гц. Конденсатор СЗ должен быть пленочным. Танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы имеют большие утечки, которые создадут напряжение смещения на резисторе R2. Керамическим конденсаторам присущ микрофонный эффект, увеличивающий низкочастотные шумы.

Отфильтрованное выходное напряжение буферизуется усилителем U3 с высоким входным напряжением. При максимальном токе смещения микросхемы U3, равном 200 пА, наибольшее падение напряжения на резисторе R2 составляет всего 2 мкВ. Обусловленная этим ошибка, с учетом напряжения смещения микросхемы LTC2057, не превышает 6 мкВ, что относительно незначительно по сравнению с мак-симальной начальной погрешностью LTC6655-5, равной 0.025% (1.25 мВ).

U3 и U4 образуют составной усилитель, низкое смещение, низкий температурный дрейф и подавленный шум 1/f которого обусловлены микросхемой LTC2057, а быстрое установление — микросхемой LT6202.

Вывод REF микросхемы U1 разряжает конденсатор С1 со скоростью, зависящей от частоты выборки и выходного кода. Чтобы поддерживать фиксированное напряжение на выводе REF, усилитель U4 этот заряд должен пополнять. Резистор R5 используется для изоляции выхода U4 от конденсатора С1, чтобы улучшить установление напряжения на выводе REF.

Физически более крупные керамические конденсаторы с более высокими рабочими напряжениями и температурами имеют более низкие коэффициенты напряжения, обеспечивая более высокую эффективную емкость. По этой причине в качестве С1 должен использоваться конденсатор X7R типоразмера 1210 с допустимым напряжением 10 В.

Характеристики схемы

Как видно из Таблицы 1, поведение LTC2508-32 практически соответствует теории, демонстрируя расширение динамического диапазона почти на 6 дБ для каждого четырехкратного увеличения коэффициента децимации при соединенных входах АЦП и выводе REF, управляемом непосредственно от LTC6655-5.

Дополнительно в Таблице 1 показано, что в начале шкалы АЦП отношение сигнал/шум по сравнению с динамическим диапазоном меньше на целых 7.8 дБ, если использовать LTC6655-5 для непосредственного управления выводом АЦП REF. Это связано с шумом, который выдает источник опорного напряжения. Использование схемы, показанной на Рисунке 1, для управления выводом REF микросхемы LTC2508-32, как следует из Таблицы 1, улучшает отношение сигнал/шум Д0б.1дБ.

Операционные усилители, стабилизированные прерыванием, такие как LTC2057, часто создают помехи на частоте прерывания и нечетных гармониках. Используемая в LTC2057 схема подавляет эти артефакты до уровня, лежащего значительно ниже ее напряжения смещения.

Эта схема в сочетании с собственным фильтром АЦП устраняет любые видимые помехи с частотой прерывания операционного усилителя, что подтверждается графиком шумового порога на Рисунке 2. График на Рисунке 2 получен в результате усреднения пяти выборок данных, чтобы сгладить шумовой порог и попытаться выявить даже самые незначительные следы любых паразитных тонов.

Заключение

Была продемонстрирована схема фильтра, способного снизить выходной шум источника опорного напряжения без ущерба для его точности или температурного коэффициента при умеренной стоимости и небольшом потреблении энергии. Подключение выхода этой схемы к выводу опорного напряжения микросхемы LTC2508-32 — 32-разрядного малошумящего АЦП — улучшило отношение сигнал/шум, в зависимости от коэффициента децимации, на величину до 6.1 дБ по сравнению с вариантом, когда выход ИОН подключается непосредственно к опорному входу АЦП.

Выбор источника опорного напряжения. с чего начать?

Источник опорного напряжения (ИОН) (реже — тока) является важнейшим элементом АЦП или ЦАП. От его точности и стабильности зависит точность всей системы. Многие преобразователи имеют встроенный ИОН. Рассмотрим вопросы, которые наиболее часто возникают при выборе ИОН.

Насколько качественным должен быть опорный сигнал?

Это зависит от назначения устройства. При проведении абсолютных измерений точность преобразования определяется точностью опорного сигнала. Однако во многих системах важна не столько абсолютная точность, сколько стабильность или повторяемость. Например, монолитный ИОН на стабилитроне со скрытым переходом (ИС AD588 и AD688) имеет начальную точность 1 мВ на 10 В (0,01% или 100 ppm) и температурный дрейф 1,5 ppm/°C. Этой точности достаточно для 12-разрядной системы (1 МЗР = 244 ppm), но не для 14- или 16-разрядной системы. Хотя, если начальную ошибку привести к нулю, то такие ИОН можно использовать в 14- и 16-разрядных системах в ограниченном температурном диапазоне (1 МЗР = 61 ppm, что соответствует изменению температуры на 40°C в AD588 или AD688).
Для увеличения абсолютной точности преобразователь необходимо «закалить» в термостатической печи, чтобы распределение тепла по кристаллу было равномерным, и откалибровать согласно стандарту. Иногда преобразователь должен иметь разрешение не меньше 12 разрядов, даже если в системе не требуется 12-разрядая абсолютная точность. В подобных случаях лучше применять менее точные и более дешевые ИОН на основе стабилитрона с напряжением запрещенной зоны.

Что такое стабилитрон со скрытым переходом и стабилитрон с напряжением запрещенной зоны?
Это два самых распространенных прецизионных ИОНа, используемых в современных ИС. Стабилитрон с заглубленным (или скрытым) p-n-переходом характеризуется большей стабильностью и точностью. Это диод, сформированный под поверхностным слоем кристалла и покрытый защитным диффузионным слоем, чтобы зона пробоя полностью лежала под поверхностью подложки (см. рис. 1).

На поверхностном слое кремния сосредоточено больше примесей, дислокаций кристаллической решетки и механических напряжений. Они увеличивают шум и нестабильность полупроводникового устройства, поэтому стабилитрон со скрытым переходом более стабилен и меньше шумит.
Напряжение пробоя стабилитрона составляет обычно около 5 В или более, ток потребления — несколько сотен мкА. ИОНы данного типа неприменимы в маломощных схемах и устройствах с низким напряжением питания. Для них предпочтительнее использовать стабилитроны с напряжением запрещенной зоны. В русскоязычной литературе они также называются источниками опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны, или ИОН с использованием напряжения ширины запрещенной зоны.
Принцип работы заключается в том, что ИОН генерирует напряжение с положительным температурным коэффициентом, чтобы компенсировать отрицательный температурный дрейф напряжения Vbe транзистора. Результирующее напряжение оказывается численно равным напряжению запрещенной зоны кремния при нулевом температурном дрейфе.
Для наглядности обратимся к рисунку 2. Площадь эмиттера Q2 в 8 раз больше площади эмиттера Q1. Транзисторы обеспечивают пропорциональный абсолютной температуре (PTAT) ток через резистор R1. Напряжение на резисторе R1 складывается с напряжением база-эмиттер Vbe транзистора Q1, усиливается и поступает на выход схемы. Это менее стабильный ИОН, однако его коэффициент температурного дрейфа не превышает 3 ppm/°C .

Что еще необходимо учитывать?
Для ИОН применимы все основные правила аналоговых схем. Итак, необходимо:
– избегать перепадов напряжения на проводниках с высоким импедансом;
– по возможности минимизировать шум на шине общей земли;
– обеспечивать качественную развязку цепи питания.
Следует также удостовериться в правильности подключения полярности, а также быть внимательными при работе с емкостными нагрузками.

Какой ток должен обеспечивать ИОН?
Как правило, ИОНы имеют внутренний буфер, а втекающий или вытекающий ток находится обычно в диапазоне 5…10 мА. Если ИОН используется в качестве системного или стоит на входе высокоскоростного параллельного АЦП, который имеет очень низкий импеданс, то этого достаточно. При токе 10 мА на сопротивлении 100 мОм падение напряжения составляет 1 мВ. Для некоторых схем это недопустимо. Такие ИОН как AD588 и AD688 имеют специализированные контакты на выходном выводе и выводе земли. Замыкая цепь ОС вокруг источников ошибки, эти контакты компенсируют падение напряжения. Они корректируют также отклонение коэффициента усиления и напряжения смещения, когда к усилителям с токовым буфером подключена большая нагрузка, или если ток течет в неправильном направлении. Разъем «sense» должен быть подключен к выходной части буферного усилителя, желательно к выводу нагрузки.

Что значит «ток течет в неправильном направлении»?
Рассмотрим 5-В ИОН с напряжением питания равным 10 В. Если к выходу 5 В подключена заземленная нагрузка, то ток потечет на землю. Если резистор подключен к линии питания, то ток будет втекающим. Во многих ИОНах допускается любое направление тока, однако некоторые модели рассчитаны либо только на втекающий, либо только на вытекающий ток. Самый простой пример — использование ИОН с положительным выходным напряжением в качестве опорного отрицательного сигнала. Допустимое направление тока указано в документации.

Существуют ли ИОНы с отрицательным напряжением?
Большинство однополярных ИОН — положительные. Двухвыводные активные источники могут использоваться в любой полярности. Они используются так же, как и стабилитроны с напряжением запрещенной зоны.
Выход источника положительного опорного напряжения можно использовать в качестве отрицательного опорного сигнала, если для данного источника втекающее направление тока разрешено. В этом случае выходной вывод подключается к земле, а вывод земли, напряжение на котором становится отрицательным, — к опорному выводу через резистор RS или источник постоянного тока (см. рис. 3).

В общем случае на вывод положительного напряжения должен поступать положительный сигнал. Но некоторые схемы могут обеспечивать отрицательное напряжение на обоих выходах, для этого вывод положительного напряжения и выходной вывод вместе подключаются к земле.
Сопротивление резистора RS подбирается так, чтобы возможные отклонения тока были в пределах допустимого.

На что следует обращать внимание при работе с емкостными нагрузками?
Во многих источниках на выходе стоит усилитель, стабильность которого может нарушаться при работе с большими емкостными нагрузками порядка нескольких мкФ и
более.
В то же время для ослабления шума к ИОН рекомендуется подключать конденсаторы емкостью 1…10 нФ. Некоторые источники, например AD588, имеют вывод с шумоподавлением, к которому можно подключать большие емкости. Если микросхема имеет силоизмерительные выводы, то диапазон разрешенных емкостей регулируется с помощью контура ОС.
Заметим, что даже если схема достаточно стабильна, использовать большие емкости не рекомендуется, поскольку они увеличивают время включения источника.

Каково время установления ИОН?
Как правило, требуется некоторое время для включения ИОН. Во многих источниках ток, протекающий через опорный элемент, поступает со стабилизированного выхода. Эта положительная ОС увеличивает стабильность по постоянному току, однако препятствует включению. Данный эффект устраняется схемотехнически, но время включения ИОН не равно нулю, а составляет 1…10 мс. Не во всех устройствах такая задержка допустима.
Для прецизионных ИОН может потребоваться дополнительное время для температурной стабилизации, пока не будет достигнуто температурное равновесие на кристалле и не установятся смещения, вызванные изменением температуры. Эти эффекты описаны в документации и обычно не превышают нескольких секунд.

Всегда ли использование внешнего прецизионного источника позволяет повысить точность преобразования?
Не всегда. Например, АD674B, быстродействующий вариант классического AD574, имеет заводскую погрешность калибровки не более 0,25%, а точность при использовании внутреннего источника не хуже 100 мВ (1%). Поскольку 0,25% от 10 В = 25 мВ, то напряжение ПШ = 10,025 В. Полагая, что AD674B с внутренним ИОН, напряжение которого было на 1% выше (10,1 В), был откалиброван на заводе при напряжении ПШ, равном 10,000 В, получаем погрешность 1%. Если к АЦП подключен прецизионный ИОН, то напряжение ПШ равно 10,100 В, т.е. погрешность в 4 раза больше, чем указано в документации.

Аналоговые входы Arduino

В прошлом уроке мы разобрали измерение и вывод цифрового сигнала с микроконтроллера, а в этом разберём аналоговый сигнал. Как мы уже не раз говорили ранее, у микроконтроллера есть аналоговые входы, т.е. входы, подключенные к АЦП – аналогово-цифровому преобразователю (ADC). На платах Ардуино это пины, маркированные буквой А. Я не просто так написал название в кавычках, потому что не все пины являются только аналоговыми: например на плате Nano пины A0-A5 являются также обычными цифровыми, и у них есть возможность измерять аналоговый сигнал как доп. функция. Пины A6 и A7 являются чисто аналоговыми.

Зачем нужно читать аналоговый сигнал? Микроконтроллер может выступать в роли вольтметра, измерять собственное напряжение питания, например от аккумулятора, может измерять ток через шунт (если вы знаете закон Ома), можно измерять сопротивление, а также работать с потенциометрами (крутильными, линейными, джойстиками), которые являются очень удобными органами управления.

Чтение сигнала

“Аналоговые” пины могут принимать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, просто в какие-то условные единицы. АЦП у нас имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023. Функция, которая оцифровывает напряжение, называется analogRead(pin) , данная функция принимает в качестве аргумента номер аналогового пина и возвращает полученное значение. Сам пин должен быть сконфигурирован как INPUT (вход), напомню, что по умолчанию все пины так и настроены. Пин кстати указывается “аналоговый”:

  • Просто номером А-пина (например, )
  • Номером с буквой А (например, А0)
  • Порядковым номером GPIO: А0 – 14 пин, A1 – 15 пин… А7 – 21

Вот пример, опрашивающий пин А0.

Хранить полученное значение разумно в переменной типа int, потому что значение варьируется от 0 до 1023.

Потенциометры

Аналоговые пины и АЦП в целом очень часто используются при работе с потенциометрами (он же переменный резистор или реостат). 10 бит АЦП позволяют дать возможность задавать в программу значения от 0 до 1023 (или кратные им), то есть влиять на ход работы программы, менять какие-то настройки и тому подобное. У потенциометра всегда три ноги: две крайние и одна центральная. Всё вместе это представляет собой делитель напряжения, который и позволяет менять напряжение в диапазоне 0-VCC:

К Arduino потенциометр подключается вот так, средний вывод на любые A-пины, крайние – на GND и питание. От порядка подключения GND и питания зависит направление изменения значения. Что касается сопротивления, то читай заметку по делителям напряжения ниже в этом уроке. Чаще всего для микроконтроллеров ставят потенциометры с сопротивлением 10 кОм, но диапазон в принципе очень широк: от 1 кОм до 100 кОм. Чем больше, тем более шумным будет приходить сигнал, а если брать меньше – пойдут потери тока в нагрев потенциометра, а это никому не нужно.

Опорное напряжение

Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты. Изучим следующую функцию – analogReference(mode) , где mode:

  • DEFAULT : опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию
  • INTERNAL : встроенный источник опорного на 1.1V для ATmega168 или ATmega328P и 2.56V на ATmega8
  • INTERNAL1V1 : встроенный источник опорного на 1.1V ( только для Arduino Mega )
  • INTERNAL2V56 : встроенный источник опорного на 2.56V ( только для Arduino Mega )
  • EXTERNAL : опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF

После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными (сильно шумными).

Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его, но не выше 5.5V, что спалит плату. То есть при режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение (12 Вольт например) я расскажу в отдельном уроке.

Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1024)

4.9 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024)

0.98 милливольт. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.

Что касается внешнего источника опорного напряжения. Нельзя использовать напряжение меньше 0V или выше 5.5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при использовании режима EXTERNAL нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до вызова функции analogRead() , иначе можно повредить микроконтроллер. Можно подключить опорное в пин AREF через резистор на

5 кОм, но так как вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, реальное опорное будет например 2.5 * 32 / (32 + 5) =

Измерение напряжения

0-5 Вольт

Простой пример, как измерить напряжение на аналоговом пине и перевести его в Вольты. Плата питается от 5V.

Таким образом переменная voltage получает значение в Вольтах, от 0 до 5. Чуть позже мы поговорим о более точных измерениях при помощи некоторых хаков.

Почему мы делим на 1024, а не на 1023 , ведь максимальное значение измерения с АЦП составляет 1023? Ответ можно найти в даташите:

АЦП при преобразовании отнимает один бит, т.е. 5.0 Вольт он в принципе может измерить только как 4.995, что и получится по формуле выше: 1023 * 5 / 1024 == 4.995.. . Таким образом делить нужно на 1024, если кто-то у вас спросит почему – отправьте его читать даташит.

Сильно больше 5 Вольт

Для измерения постоянного напряжения больше 5 Вольт нужно использовать делитель напряжения на резисторах (Википедия). Схема подключения, при которой плата питается от 12V в пин Vin и может измерять напряжение источника (например, аккумулятора):

Код для перевода значения с analogRead в вольты с учётом делителя напряжения:

Как выбрать/рассчитать делитель напряжения?

  • Согласно даташиту на ATmega, сумма R1 + R2 не рекомендуется больше 10 кОм для достижения наибольшей точности измерения. В то же время через делитель на 10 кОм будет течь ощутимый ток, что критично для автономных устройств (читай ниже). Если девайс работает от сети или от аккумулятора, но МК не используется в режиме сна – ставим делитель 10 кОм и не задумываемся. Также рекомендуется поставить конденсатор между GND и аналоговым пином для уменьшения помех.
  • Если девайс работает от аккумулятора и микроконтроллер “спит”: пусть аккумулятор 12V, тогда через 10 кОм делитель пойдёт ток 1.2 мА, согласно закону Ома. Сам микроконтроллер в режиме сна потребляет

1 мкА, что в тысячу раз меньше! На самом деле можно взять делитель с гораздо бОльшим суммарным сопротивлением (но не больше 20 МОм, внутреннего сопротивления самого АЦП), но обязательно поставить конденсатор на

0.1 мкФ между аналоговым пином и GND (вот здесь проводили эксперимент). Таким образом например при при R1+R2 = 10 МОм (не забыть про конденсатор) ток через делитель будет 1.2 мкА, что уже гораздо лучше!
Коэффициент делителя равен (R1 + R2) / R2 . Коэффициент должен быть таким, чтобы при делении на него измеряемого напряжения не получилось больше 5 Вольт. У меня в примере (10 + 4.7) / 4.7

3.13 . Я хочу измерять литиевый аккумулятор с максимальным напряжением 12.8 Вольт. 12.8 / 3.13

4 Вольта – отлично. Например для измерения 36 Вольт я бы взял делитель с плечами 100к и 10к.

  • Можно воспользоваться онлайн-калькулятором.
  • Сильно меньше 5 Вольт

    Для более точных измерений маленького напряжения можно подключить пин AREF к источнику низкого опорного напряжения (об этом было выше), чтобы “сузить” диапазон работы АЦП. Источник может быть как внешний, так и внутренний, например изменив опорное на внутреннее 1.1V ( analogReference(INTERNAL) ) можно измерять напряжение от 0 до 1.1 Вольта с точностью 1.1/1024

    Видео