¿Cómo mido un voltaje negativo con un ADC?

Estoy trabajando con un microcontrolador PIC con ADC de 10 bits incorporado y quiero medir un voltaje en el rango de -1 a -3 voltios.
Pensé en usar un amplificador operacional en el modo de inversión para hacer que el voltaje sea positivo y luego alimentarlo al adc del microcontrolador, sin embargo, aquí tendría que alimentar el amplificador operacional con una fuente de alimentación negativa, ¿verdad? No quiero usar una fuente de alimentación negativa en este momento y me preguntaba si era posible lograr esta configuración. ¿Puedes ayudarme?

Un amplificador inversor no necesita un riel negativo para invertir el voltaje.

Intente pensar en sus rieles de potencia como los que suministran su salida. Si observa el circuito, todos los pines del amplificador operacional están vinculados a un voltaje de 0V o superior. Cuando entra su rango de -1 a -3, se mostrará exactamente como el opuesto de 1 a 3 en la salida. Esto también le brinda algunas ventajas como búfer, ya que la impedancia de entrada de su pin no afectará mucho a este circuito (siempre que R _en || R _f sea ​​grande).

Estoy de acuerdo en que un simple divisor de resistencia hace el trabajo, solo para hacerle saber que esto también funciona.

Podría usar un divisor de voltaje, con un extremo colgando del riel de suministro positivo. Digamos que tiene uno con resistencias iguales y una fuente de alimentación de 5V, esto dará como resultado un voltaje entre + 2V y + 1V para su rango de -1 a -3V.

+5V +
    |
    R
    |
    +-- OUT
    |
    R
    |
IN -+

La idea del divisor de voltaje es agradable, barata, pero le da el problema de que un cambio del voltaje a medir se verá como la mitad del cambio en la entrada del ADC. Si las mediciones precisas son de interés, la solución es un diodo zener como la mitad inferior del divisor. Si lo que se está midiendo puede tolerar perder un poco de corriente, esto funcionará muy bien. Los Zeners no son absolutamente planos en su voltaje de ruptura inversa, especialmente para corrientes muy pequeñas, por lo que no haga que R1 sea demasiado grande.

Ahora para ver si este sitio de stackexchange me permite agregar imágenes ...

Este es el circuito estándar para ese tipo de conversión. Lo simulé para demostrarle a alguien que funcionó, de ahí el esquema SPICE. Debe elegir los valores de resistencia apropiados, funciona siempre que sean 2R, 2R y R.

Estoy en el trabajo (no electrónico) en este momento, sin prácticos dispositivos electrónicos o libros, por lo que esta será una idea aproximada. Quizás alguien más pueda completar los detalles ...

Pruebe con un espejo actual usando un par de transistores PNP que cuelgan del riel Vcc. Alimente la señal de voltaje negativo al lado de entrada del espejo a través de una resistencia adecuada. La misma corriente debería fluir a través del transistor de salida del espejo. Con una resistencia bien elegida, crea un rango de voltaje de 0V a Vcc.

EDITAR - NUEVO: Aquí está el esquema espejo actual. Cualquier corriente que pase por el transistor T1, T2 intentará hacer que el mismo flujo de corriente. El voltaje negativo a medir, en relación con la fuente de alimentación que elegí aleatoriamente para ser de 15v, crea una pequeña corriente de corriente a través de R1 (medido en simulación como "corriente de entrada"). Si R2 fuera igual a R1, encontraría el mismo voltaje a través de él, si se lo permitiera. Pero está conectado a 0V (gnd): nuestro circuito se basa únicamente en un suministro positivo. No funcionará a menos que hagamos R2 más pequeño, digamos 1/2 de R1, entonces el voltaje a través de él será 1/2 de lo que sea a través de R1. Mídelo, haz matemáticas (¡whoo, multiplica por 2, difícil!) Y ahí estás. El esquema tiene diferentes valores, una relación diferente , pero creo que todos podemos manejar las matemáticas para esto.

La ventaja de esto sobre un divisor de voltaje simple es que 1) parece más complicado, 2) es un truco común en el diseño de circuitos integrados analógicos. Como escribí otra respuesta usando un diodo Zener, ahora no estoy seguro de por qué esto es mejor, pero es una alternativa a un divisor de voltaje y puede permitir llegar a diferentes rangos de voltajes o algo así. Ahora dejo que otros comenten sobre la sabiduría o la necedad de esta idea ...

Es posible que ni siquiera necesite un amplificador operacional. Algunos ADC (como el MCP3304, consulte la hoja de datos: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21697e.pdf tienen un modo diferencial incorporado, donde el ADC devuelve la diferencia de dos canales, que puede ser un número negativo: si conecta un canal a tierra (llamado modo pseudo-diferencial), el ADC puede aceptar un voltaje de entrada negativo en el otro y traducirlo a un número negativo, todo sin necesidad de un voltaje negativo.

Por supuesto, esto solo se aplica si su ADC admite este tipo de cosas. Muchos no tienen modo diferencial en absoluto.

Creo que ya hay muy buenas respuestas, pero me gusta publicar otro enfoque, que estoy usando para hacer básicamente lo mismo.

¿Podría usar un amplificador operacional de instrumentación (como un LT1167)? Sin embargo, necesitaría el riel negativo, pero ¿no daría esto más precisión? y también mejores formas de amplificar el voltaje si lo desea simplemente agregando una resistencia.

agregar el riel negativo es tan fácil como agregar algo como un minmax MCW03-05D05.

El problema que tengo con el uso de resistencias es que es muy difícil encontrar resistencias idénticas, lo que le daría un error que tendría que corregir.