### ADC电压测量:单极性供电下的负电压与扩展测量范围
#### 一、引言
随着微电子技术的发展,单片机等嵌入式系统中集成的模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)变得越来越普遍。然而,在实际应用中,由于电源设计的限制,很多ADC只能采用单极性供电方式。在这种情况下,如何让单极性供电的ADC测量负电压,以及如何解决ADC测量范围不足的问题,成为了一项重要的技术挑战。本文将详细探讨这些问题,并提供具体的解决方案。
#### 二、单极性供电ADC测量负电压的方法
在单极性供电的情况下,ADC通常不能直接测量负电压。这是因为ADC内部的参考电压通常是正电压,无法识别低于地电平的信号。为了解决这一问题,可以通过外部电路来实现对负电压的测量。
##### 1. 使用运放进行偏置
一种常见的方法是使用运算放大器(Operational Amplifier, OpAmp)将输入信号偏置到一定值之上。例如,可以通过图1所示的电路将输入电压偏置2.5V,使得原本的负电压被提升到正值范围内,然后再输入ADC进行转换。这样做的原理在于,通过电阻分压网络,可以确保输入到运放正端的电压始终为正,而运放的输出则会被调节到所需的正电压范围内。
##### 2. 选择支持单极性供电测量负电压的ADC
市面上也存在一些特殊设计的ADC芯片,例如MAXIM公司推出的MAX11044,这款ADC能够在单极性电源供电的情况下测量负电压。这种ADC通常采用了特殊的电路设计,能够处理负电压信号,因此可以直接应用于单极性供电的环境中。
#### 三、扩大ADC测量范围的策略
当ADC本身的测量范围不足以满足需求时,可以采取以下几种方法来扩展测量范围:
##### 1. 增加偏置电压
如前文所述,通过增加偏置电压可以使ADC测量更宽范围内的电压值。例如,在图1所示的电路中,通过短接R2,可以将输出电压范围调整为0V~+2.5V,从而实现了测量范围的扩大。如果需要进一步扩大测量范围,则可以在该电路基础上添加额外的运放比例缩小电路。
##### 2. 使用ADC驱动器
另一种有效的方法是使用专门设计的ADC驱动器,这类驱动器可以将输入信号调整至ADC所需的范围内。例如,AD8275就是这样一款产品,它可以在单极性电源供电的情况下将-10V~10V的电压转换为0.048V~4.048V之间,非常适合用于传感器信号的处理。如图2所示,通过适当的电阻配置,可以精确控制输出电压范围。
#### 四、总结
尽管单极性供电的ADC在测量负电压方面存在一定的局限性,但通过合理的电路设计和选择合适的ADC型号,仍然可以有效地解决这一问题。此外,通过增加偏置电压或使用ADC驱动器等方法,还可以扩展ADC的测量范围,满足更为复杂的应用需求。这对于工程师来说是非常实用的技术手段,有助于提高系统的整体性能和可靠性。