設(shè)計基于Arduino的自動測量系統(tǒng)

描述

目標(biāo)：設(shè)計基于 Arduino 的自動測量系統(tǒng)，可以測量范圍內(nèi)的電壓和電流（可變）

[在這種特定情況下：{-500mV...+500mV}，{-5V...+5V}]。

它會自動選擇適當(dāng)?shù)姆秶⒅匦逻B接 AMS 的適當(dāng)元件（以使用 Arduino ADC 實現(xiàn)最佳精度）

AMS 必須抓取一個要測量至少 5 次的值，并呈現(xiàn)平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差 平均值和變化是使用相關(guān)單位在串行監(jiān)視器上呈現(xiàn)的，并且必須每 5 秒更新一次。

必須足夠了解 sqrt 操作相對于時間而言是昂貴的 - 因此我將在這里計算平方 STR（標(biāo)準(zhǔn)偏差）。

系統(tǒng)塊：

塊號 1：2 個輸入緩沖器和一個差分放大器

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這是我們的系統(tǒng)輸入，兩個輸入信號通過緩沖器輸入（對于大輸入阻抗），然后是差分放大器

輸出電壓：V+ - V-

藍線代表 V+，灰線代表 V- 電壓。

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我們?nèi)绾螢椴罘址糯笃鬟x擇電阻：

我們想要獲得 Vout=V+-V-，因此我們以下列方式選擇我們的電阻器：

R1=R2=R3=R4=500[kΩ]。

我們將差分放大器輸出連接到緩沖器以保持其電壓。

筆記：

該模塊中的所有運算放大器都具有 ±5[V] 電源電壓。

為了實現(xiàn) ±5[V]，我們使用了兩個電源，如下圖所示：

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模塊 2：±5[V] 范圍的求和放大器

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該模塊的工作是將 {-5[V]…+5[V]} 范圍內(nèi)的差分電壓轉(zhuǎn)換為 {0[V]…5[V]}。

我們需要進行這種轉(zhuǎn)換，因為 Arduino 不能插入負電壓。

該放大器的輸出函數(shù)必須為 Vout=(5[V]+Vin)/2

為了做這個轉(zhuǎn)換。

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我們?nèi)绾螢椴罘址糯笃鬟x擇電阻：

輸入為 V1 和 V2，V2=5[V],V1=Vin（這是輸出

從前一個塊 1) 因此為了得到

放大器輸出功能我們相應(yīng)地選擇了電阻。

RA=100[Ω],RB=500[kΩ],R1=R2=500[kΩ]。

在我們選擇所有這些電阻之后，我們會收到以下輸出

功能：

Vout=(5[V]+Vin)/2

因為 RB<

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塊號 3：帶緩沖器的 ±500[mV] 范圍的求和放大器

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該模塊的工作是將 {500[mV]…+500[mV]} 范圍內(nèi)的差分電壓轉(zhuǎn)換為 {0[V]…500[mV]}。

該放大器的輸出函數(shù)必須為 Vout=(500[mV]+Vin)/2 *10

為了做這個轉(zhuǎn)換。

我們使用了分壓器和緩沖器，因此分壓器的點進入運算放大器的非反相輸入端。所有這些都是為了保持我們需要這個功能的 500[mV] 電壓。

我們?nèi)绾螢椴罘址糯笃鬟x擇電阻：

輸入為 V1 和 V2，V2=500[mV],V1=Vin（這是輸出

從前一個塊 1) 因此為了得到

放大器輸出功能我們相應(yīng)地選擇了電阻。

RA=450[kΩ],RB=50[kΩ],R1=R2=500[kΩ]。

在我們選擇所有這些電阻之后，我們會收到以下輸出

功能：

Vout=(500[mV]+Vin)/2 *10

注1 ：1+RA/RB = 10，我們正在與之相乘。

注2 ：對于上一張幻燈片中提到的分壓器，我們使用了如下圖所示的電阻：

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模塊 4：差壓整流器

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為什么我們?nèi)匀皇褂谜髌鳎浚?/font>

該模塊用于下一個模塊（模塊 5）。該模塊的輸出是比較器 OA 非反相輸入的輸入。

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我們通過以下方式實現(xiàn)了上述電路：

當(dāng)我們的輸入信號（從塊號 1 輸出）大于 0 時，A1 放大器充當(dāng)緩沖器。

A2放大器的兩個輸入端與輸入信號電位相同，所以A2實際上輸出的是正信號。

當(dāng)信號小于0時，A1的輸出等于0[V]，A2將輸入信號反相。

總體結(jié)果是輸入信號的絕對值。

該模塊中使用的所有電阻器都等于 R=500[kΩ]。

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塊號 5：帶繼電器的Comperator OA

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V+ 中的比較器輸入是前一個模塊 4 的整流差分輸出電壓。

在 V- 上，我們從第 3 塊提到的緩沖放大器中得到 500[mV]。

我們可以從中選擇兩個范圍：{-5[V]…+5[V]}，{-500[mV]…+500[mV]}。

如果差分電壓的絕對值大于 500[mV]，繼電器將輸出處理此電壓范圍的模塊 2 的輸出。

如果差分電壓的絕對值小于 500[mV]，繼電器將輸出塊 3 的輸出。

繼電器輸出（綠線）連接到 A0，橙色線連接到引腳 2。

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系統(tǒng)流程圖：

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一些證明系統(tǒng)阻抗非常高的證據(jù)：

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在上面的附件中，我們可以看到對于不同的電壓范圍，無論我們有什么電壓，輸出電流總是0[A]。

將其除以 0[A] 輸出電流將導(dǎo)致 Rinput = (Voltage(in)[V])/(Current (in)[A])=(Voltage(in)[V})/(0[A]) = ∞

這意味著在我們被要求設(shè)計此 AMS、差分直流電壓表的范圍內(nèi)，我們的輸入阻抗實際上是無限的。

為了達到這個結(jié)果，我們使用了緩沖運算放大器（用于兩個輸入），眾所周知，他的特征之一是他的 Rinput 等于無窮大。

注意：即使電壓==0[v] 我們得到 0/0 = '未定義'，但這并不重要，因為在這種情況下無論如何都沒有連接（電壓或電流）。

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