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結(jié)合分壓電路直接測(cè)量負(fù)電壓

冬至子 ? 來源:阿璇教學(xué)研究室 ? 作者:和一中/梅曉璇 ? 2023-09-21 14:17 ? 次閱讀

在翻找電腦里的東西時(shí)候,發(fā)現(xiàn)了原來半途而廢研究的資料:用分壓電路測(cè)量負(fù)電壓。

于是又拿出來看看,忽然腦袋一時(shí)清亮起來,把原理想明白了。仿真了一下,效果還好。用實(shí)際器材測(cè)試一下,達(dá)到了可以接受的程度。

花絮ps:

本來想法的形成是昨天(2023.8.16)晚上的事情,上午要忙批閱作業(yè)和一些雜事兒,簡單用Micro:bit試驗(yàn)了一下,并與網(wǎng)上一位大神交流了。中午半夢(mèng)半醒,計(jì)算了原理,晚上使用Arduino UNO測(cè)試了真實(shí)的數(shù)據(jù),挺好。

實(shí)際古老的Arduino UNO盡管在今天看起來已經(jīng)不是那么時(shí)髦了,但是個(gè)人感覺它的ADC質(zhì)量相當(dāng)不錯(cuò),而且在8位ADC水平上,遠(yuǎn)強(qiáng)于Micro:bit,和ESP32比也不遜色(個(gè)人感覺)。

原理圖:

  1. 其中VCC 3.17V是我實(shí)測(cè)的Micro:bit板3V和GND引腳間電壓。Micro:bit輸出的3V并不準(zhǔn)。多數(shù)單片機(jī)引出的輸出電壓都來自板載穩(wěn)壓芯片,但是由于不象參考電壓那么要求高,所以也都不太準(zhǔn)。但偏差也并不大。
  2. 為說明原理,要測(cè)量的負(fù)電壓,記為V_in,比如這里把5V電源正極接在GND,那么R3右側(cè)相當(dāng)于輸入了5V負(fù)電壓。
  3. 測(cè)量點(diǎn),即R1、R2之間探針?biāo)谔?。記為V_out。

圖片

一般我們習(xí)慣上取分壓器R1=R2=R,基爾霍夫一下子,有

[如果R1、R2、R3均為一般取值,即則比較麻煩]

若3個(gè)電阻使用上面電路圖中的參數(shù),則V_out = 0.0892857V_in + 0.455357*E_VCC。這樣,我們?cè)贏rduino里面,可以這樣寫代碼(以下代碼,已測(cè)試):

float VCC=5.0; //這里的5.0,一般不太準(zhǔn),可以用好點(diǎn)兒的表校一下
//電腦USB供電時(shí)校準(zhǔn)的VCC電壓
float VCC=5.062;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  //把電路圖探針接到模擬引腳A0
  int Vol = analogRead(A0);
  float V_out = Vol/1023.0*VCC;
  //R、R為等值分壓電阻,R3為接入電阻
  //R取10k,R3取51k
  //V_{out}=frac{R}{R+2R_3}V_{in}+frac{R_3}{R+2R_3}E_{VCC}
  float V_in = (V_out-0.455357*VCC)/0.0892857;
  
  Serial.println(V_in);
  delay(1000);
}

以下使用的是Micro:bit的粗略測(cè)試。3只電阻相應(yīng)都縮小了10倍,即10k、10k、51k。是因?yàn)槭诌厸]有合適大小的電阻,實(shí)際保持原值應(yīng)該好一些,因?yàn)镽3相當(dāng)于電壓表內(nèi)阻,小了不好。 連線圖:

圖片

IO2接模擬引腳P0。MicroBlocks編寫代碼。分別測(cè)量兩只干電池的正反向電壓,以毫伏為單位。發(fā)現(xiàn)差值均為0.019V,這應(yīng)該是零點(diǎn)誤差造成的,估計(jì)可以很容易修正回來。 總之結(jié)論是,可以。

圖片

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剛剛使用Arduino UNO的測(cè)試

實(shí)物圖:

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4F超級(jí)電容器40Ω電阻放電:

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4F超級(jí)電容器0.22Ω電阻放電:

圖片

有什么用?

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求并不是太過于精確時(shí),簡便地使用。比如觀察電容器的充、放電實(shí)驗(yàn),電壓、電流很嚴(yán)格了嗎?沒有,這個(gè)時(shí)候就可以祭出此一大招了。至少,在精度允許的范圍內(nèi),省了不少大角錢啊。

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