Cambio de nivel de una señal de +/- 2.5V a 0 - 5V

Tengo un módulo frontal que genera una señal (ECG) que varía de +/- 2.5 V. Quiero cambiar esta señal a 0 - 5V. ¿Cuál es la mejor manera de hacer esto? ¿Un amplificador sumador como el siguiente circuito es lo suficientemente bueno? Con R1 = R2 y V1 = 2.5V, V2 = mi señal, V3 = V4 = GND

Amplificador sumador

level-shifting

— govind m
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Respuestas:

Lo primero que debe probar es un sumador de resistencia simple, sin opamp. Pero está claro que esto no funcionará aquí: un sumador de resistencia siempre atenúa la señal, y necesitamos una amplificación 1. $\times$

ingrese la descripción de la imagen aquí

Este es un amplificador sumador no inversor. Pensaría que simplemente tenemos que agregar 2.5 V, pero ¿tiene eso? Supongo que tiene 5 V, así que usemos eso y veamos a dónde nos lleva. Si tenemos -2.5 V en la entrada Vin, la entrada no inversora debería ser cero si desea 0 V, independientemente de los valores de R3 y R4. Entonces R1 y R2 forman un divisor de voltaje, y R2 debe ser dos veces R1 para obtener 0 V.

Luego tenemos que encontrar la amplificación, que está determinada por R3 y R4:

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

Si tenemos 2.5 V en la entrada Vin y con R2 = 2 R1 obtenemos 3.33 V en la entrada no inversora del opamp. Para sacar esos 5 V, tenemos que amplificar por 1.5, entonces R3 debe ser dos veces R4. $\times$

Podríamos usar los siguientes valores:

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

Necesitará un amplificador operacional RRIO (Rail-to-Rail I / O) si desea alimentarlo desde una sola fuente de 5 V.

— stevenvh
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Gracias por su circuito, pero creo que necesito dar 2.5 V en R2 en lugar de 5V para que el cambio funcione. No sé por qué ese es el caso .. Pero las obras del circuito

— govind m

@govindm - No, el cálculo dice 5 V :-). ¿Estás seguro de que no usaste los mismos valores para R1 y R2?

— stevenvh

Ups, lo siento Steven, estúpido error de mi parte. Intercambié r1 y r2. Estoy feliz de confirmar una vez más (en la historia de la civilización humana), que los cálculos NO mienten.

— govind m

Aquí hay una forma de hacerlo:

Cambio de nivel

El divisor resistivo suministra 1.25V a la entrada no inversora. Esto puede ser reemplazado por una referencia de voltaje dedicada si se desea. Necesitará un opamp de salida de riel a riel.

Aquí hay una simulación:

Level Shift Sim

Tenga en cuenta que la impedancia de entrada está definida por R3, por lo que es posible que necesite aumentar esto (y R2 por la misma) o búfer si la fuente es de alta impedancia. También tenga en cuenta que la salida está invirtiendo.

Aquí hay un método no inversor para referencia también:

Cambio de nivel sin inversión

Y la simulación (el "to_adc" es el voltaje de salida):

Cambio de nivel sin inversión

El circuito no inversor anterior es un poco como su amplificador sumador.
Sin embargo, el amplificador sumador que muestra tiene un problema, las resistencias de ganancia de inversión mostradas no corregirán el divisor. Necesita (R1 + R2) para la resistencia de retroalimentación.
Entonces ganancia es igual a ((R1 + R2) / R2) + 1.

Aquí hay un ejemplo de cómo debería verse (los sufijos ayb son solo para mantener feliz a SPICE):

Suma de cambio de nivel

En la simulación, puede ver los cambios de opamp + IN de 0V a 1.25V, por lo que necesita una ganancia de 4 para emitir de 0V a 5V. Como R1c y R1d están en paralelo, obtenemos 50k. Entonces (150k / 50k) + 1 = 4.

Simulador de suma de cambio de nivel

— Oli Glaser
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Tengo curiosidad, ¿cómo dimensionaste C2?

— jippie

En realidad no lo dimensioné para esta pregunta en particular, es un remanente de un esquema anterior que ajusté para esta respuesta (lo dejé puesto ya que siempre es una buena idea tener un pequeño límite en Rf para evitar la oscilación, pero no lo hice sin embargo, como se muestra, el ancho de banda sería 1 / (2pi * C2 * (R1 + R2)) -> 1 / (6.28 * 100e-12 * 150e3) = ~ 10.6kHz. Para un ECG, el ancho de banda podría reducirse mucho más.

— Oli Glaser

Gracias por tu respuesta detallada. Acabo de probar su circuito no inversor, pero parece que me he encontrado con algún problema. A pesar de que la señal de entrada oscila entre -2.5 y 2.5 V, la salida del amplificador oscila entre 1V y 3.3V solamente, no sé qué está pasando. Estoy usando LM358AN

— govind m

El LM358 no es un opamp de riel a riel, específicamente la salida no oscilará a + 5V aunque debería llegar a tierra. La entrada tampoco es de riel a riel. Además, si la impedancia de su fuente es alta (p. Ej.,> 5k), deberá almacenar la señal en el búfer antes de enviarla a la palanca de cambio de nivel.

— Oli Glaser

También probé OPA333, que según la hoja de datos es "salida de carril a carril dentro de 3 mV", con el mismo resultado. ¿Quizás es un problema con la impedancia de entrada entonces? Intentaré agregar un seguidor de voltaje ..

— govind m