用Excel計(jì)算AD電平移位器的電阻值

單電源供電的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和比較器常需要連接5V的實(shí)際信號(hào)，當(dāng)然可以使用運(yùn)放和/或儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但很少有工程師想到通常還可使用電阻網(wǎng)絡(luò)(見圖1)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

對(duì)此持批*態(tài)度的人認(rèn)為電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)加大電源電壓負(fù)載并帶來畸變。我們可將此限制作到Microsoft Excel中，確保電阻值不引起輸入過載。另外，也要考慮到有些ADC在高電源阻抗下不能很好地 工作，所以可能需要用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)放進(jìn)行緩沖。

我們需要用基爾霍夫定律計(jì)算電阻值，基爾霍夫定律為：流入各節(jié)點(diǎn)的電流之和為零。對(duì)于三個(gè)電阻的連接點(diǎn)有：

(VIN-VAD)/R1+(VDD-VAD)/R2+(VSS-VAD)/R3=0 (1)

例如，假設(shè)VDD=5V、VSS=0V、VIN=5V，ADC輸入必須在0~2.5V之間。VIN=-5V時(shí)，為滿足VAD=0V，可將以上值代入式(1)有：

(-5/R1)+(5/R2)=0 (2)

當(dāng)VIN=+5V時(shí)，如要使輸入為2.5V，可代入式(1)有：

(2.5/R1)+(2.5/R2)-(2.5/R3)=0 (3)

這時(shí)，得到兩個(gè)三元方程，有一個(gè)自由度。這個(gè)問題可進(jìn)一步用下列方法解決。設(shè)VSS恒等于1，重新整理式(1)可得下式：

VAD=[(-R2×R3×VIN)-R1×R3×VDD]/[(-R1×R2)-(R2×R3)-(R1×R3)] (4)

每一次做這種工作，過程都很繁瑣。而Excel有一稱為“解算器”的特點(diǎn)，即一旦設(shè)置好，解算器很容易做完整個(gè)工作。按下述方法使用解算器。

在Windows中，進(jìn)入控制面板，選擇添加/刪除程序選項(xiàng)，選擇Microsoft Office，進(jìn)行更改或更新安裝。在表上找到Excel，為添加Solver組件，選擇“從我的計(jì)算機(jī)運(yùn)行”。按照提示完成安裝，再運(yùn)行Excel，點(diǎn)擊“工具”下的“插件”，選擇該項(xiàng)。此后，按照出現(xiàn)的提示進(jìn)行。

裝入ADinput.xls工作表之后，打開該工作表如圖2所示。將參數(shù)輸入到B5~B9單元。B14單元包含公式1，可對(duì)下式作最小條件修正：

=((VinMin-VadMin)/RE1+(Vdd-VadMin)/RE2)-VadMin/RE3

同樣，B15單元進(jìn)行最大條件修正：

=((VinMax-VadMax)/RE1+(Vdd-VadMax)/RE2)-VadMax/RE3

B20單元和B21單元里有輸入電流公式。注意：當(dāng)用最大輸入電壓時(shí)，它提供電流，當(dāng)用最小輸入電壓時(shí)吸取電流。

為了調(diào)用解算器，選擇“工具”下的“解算器”，使輸入?yún)?shù)如圖3。解算器將改變B10~B12單元，使B14和B15保持為0，使B20和B21低于或高于預(yù)先設(shè)置的工程參數(shù)。在本例中，電流限值為±0.1mA?？蛇x擇約束條件，點(diǎn)擊更換鍵，對(duì)此進(jìn)行修改。注意：可以通過構(gòu)造除一個(gè)目標(biāo)外的所有其他目標(biāo)作為約束條件，用兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)單元進(jìn)行工作。

使用B18單元證明電阻值產(chǎn)生的電壓范圍確實(shí)正確。通過改變B17單元的值，可以觀察Vad值的改變。B17單元含公式(4)。同樣也可以用Excel產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電阻值，但這里不對(duì)此說明。