用Excel計算AD電平移位器的電阻值

單電源供電的模數轉換器(ADC)和比較器常需要連接5V的實(shí)際信號，當然可以使用運放和/或儀表放大器對信號進(jìn)行調節，但很少有工程師想到通常還可使用電阻網(wǎng)絡(luò )(見(jiàn)圖1)實(shí)現電平轉換。

對此持批*態(tài)度的人認為電阻網(wǎng)絡(luò )會(huì )加大電源電壓負載并帶來(lái)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(guò)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的運放進(jìn)行緩沖。

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

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

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

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

當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(wèn)題可進(jìn)一步用下列方法解決。設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(guò)程都很繁瑣。而Excel有一稱(chēng)為“解算器”的特點(diǎn)，即一旦設置好，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，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“從我的計算機運行”。按照提示完成安裝，再運行Excel，點(diǎn)擊“工具”下的“插件”，選擇該項。此后，按照出現的提示進(jìn)行。

裝入ADinput.xls工作表之后，打開(kāi)該工作表如圖2所示。將參數輸入到B5~B9單元。B14單元包含公式1，可對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：當用最大輸入電壓時(shí)，它提供電流，當用最小輸入電壓時(shí)吸取電流。

為了調用解算器，選擇“工具”下的“解算器”，使輸入參數如圖3。解算器將改變B10~B12單元，使B14和B15保持為0，使B20和B21低于或高于預先設置的工程參數。在本例中，電流限值為±0.1mA?？蛇x擇約束條件，點(diǎn)擊更換鍵，對此進(jìn)行修改。注意：可以通過(guò)構造除一個(gè)目標外的所有其他目標作為約束條件，用兩個(gè)或多個(gè)目標單元進(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(guò)改變B17單元的值，可以觀(guān)察Vad值的改變。B17單元含公式(4)。同樣也可以用Excel產(chǎn)生標準電阻值，但這里不對此說(shuō)明。