Mudança de nível de um sinal de +/- 2,5V para 0 - 5V

Eu tenho um módulo front-end que gera um sinal (ECG) que varia de +/- 2,5 V. Eu quero mudar esse sinal para 0 - 5V. Qual é a melhor maneira de fazer isso? Um amplificador de soma como o circuito abaixo seria bom o suficiente? Com R1 = R2 e V1 = 2,5V, V2 = meu sinal, V3 = V4 = GND

Summing Amp

level-shifting

— govind m
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Respostas:

A primeira coisa a tentar é um somador de resistores simples, sem opamp. Mas é claro que isso não funcionará aqui: um somador de resistores sempre atenua o sinal e precisamos de uma ampliação 1. $\times$

insira a descrição da imagem aqui

Este é um amplificador somador não inversor. Você pensaria que simplesmente precisamos adicionar 2,5 V, mas você tem? Suponho que você tenha 5 V, então vamos usá-lo e ver onde isso nos leva. Se tivermos -2,5 V na entrada Vin, a entrada não inversora deve ser zero se você desejar 0 V fora, independentemente dos valores de R3 e R4. Então R1 e R2 formam um divisor de tensão, e R2 deve ser duas vezes R1 para obter o 0 V.

Em seguida, temos que encontrar a amplificação, que é determinada por R3 e R4:

$A_V = \dfrac{R3 + R4}{R3}$

Se temos 2,5 V na entrada Vin e com R2 = 2 R1, obtemos 3,33 V na entrada não inversora do opamp. Para fazer 5 V sair, temos que amplificar em 1,5, então R3 deve ser duas vezes R4. $\times$

Poderíamos usar os seguintes valores:

R1 = 10 kΩ
R2 = 20 kΩ
R3 = 20 kΩ
R4 = 10 kΩ

Você precisará de um opamp RRIO (E / S trilho a trilho) se desejar alimentar a partir de uma única fonte de 5 V.

— stevenvh
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Obrigado pelo seu circuito, mas acho que preciso dar 2,5 V em R2 em vez de 5V para que a mudança funcione. Não sei por que esse é o caso .. Mas o circuito funciona

— govind m

@govindm - Não, o cálculo indica 5 V :-). Tem certeza de que não usou os mesmos valores para R1 e R2?

— stevenvh

Opa, desculpe Steven, erro estúpido da minha parte. Eu havia trocado r1 e r2. Fico feliz em confirmar mais uma vez (na história da civilização humana), que os cálculos NÃO mentem.

— govind m

Aqui está uma maneira de fazer isso:

Mudança de nível

O divisor resistivo fornece 1,25V à entrada não inversora. Isso pode ser substituído por uma referência de tensão dedicada, se desejado. Você precisará de um opamp de saída trilho a trilho.

Aqui está uma simulação:

Level Shift Sim

Observe que a impedância de entrada é definida por R3, portanto, pode ser necessário aumentar isso (e R2 da mesma) ou buffer se a fonte for alta impedância. Observe também que a saída está invertendo.

Aqui está um método não inversor para referência também:

Mudança de nível sem inversão

E a simulação (o "to_adc" é a tensão de saída):

Mudança de nível sem inversão

O circuito não inversor acima é um pouco como o seu amplificador de soma.
O amplificador somador que você mostra tem um problema, porém, os resistores de ganho inversor mostrados não corrigem o divisor. Precisa (R1 + R2) para o resistor de realimentação.
Portanto, ganho é igual a ((R1 + R2) / R2) + 1.

Aqui está um exemplo de como deve ser (os sufixos a e b são apenas para manter o SPICE feliz):

Soma da mudança de nível

Na simulação, você pode ver o opamp + IN oscilando de 0V a 1,25V, portanto, ele precisa de um ganho de 4 para emitir 0V a 5V. Como R1c e R1d estão em paralelo, obtemos 50k. Então (150k / 50k) + 1 = 4.

Sim de soma de mudança de nível

— Oli Glaser
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Estou curioso, como você dimensionou o C2?

— jippie

Na verdade, eu não o dimensionei para esta pergunta em particular, é um remanescente de um esquema anterior que eu ajustei para esta resposta (eu o deixei como sempre é uma boa ideia ter um pequeno limite em Rf para evitar oscilação, mas não deseja entrar em mais detalhes nessa área) No entanto, como mostrado, a largura de banda seria 1 / (2pi * C2 * (R1 + R2)) -> 1 / (6.28 * 100e-12 * 150e3) = ~ 10.6kHz. Para um ECG, a largura de banda pode ser reduzida muito mais.

— Oli Glaser

Obrigado pela sua resposta detalhada. Acabei de experimentar o seu circuito não inversor, mas parece que encontrei algum problema. Mesmo que as oscilações de sinal de entrada de -2,5 a 2,5 V, a saída dos balanços do amplificador entre 1V e 3.3V única, eu não sei o que está acontecendo .. Eu estou usando LM358AN

— govind m

O LM358 não é um opamp trilho a trilho, especificamente a saída não oscila até + 5V, embora deva alcançar o solo. A entrada também não é trilho a trilho. Além disso, se a impedância da fonte for alta (por exemplo,> 5k), será necessário armazenar o sinal em buffer antes de enviar para o deslocador de nível.

— Oli Glaser

Eu também experimentei o OPA333 - que de acordo com a ficha técnica é "saída trilho a trilho dentro de 3 mV", com o mesmo resultado. Talvez seja um problema com a impedância de entrada, então? Vou tentar adicionar um seguidor de tensão ..

— govind m