Dzielnik napięcia: jak obliczyć i zbudować go dla ADC w STM32
Dzielnik napięcia: jak obliczyć i zbudować go dla ADC w STM32
Podłączasz akumulator albo zasilacz 12 V prosto do pinu ADC i nagle płytka przestaje reagować? Dzielnik napięcia z rezystorów to dwa elementy, które obniżają napięcie do poziomu bezpiecznego dla przetwornika, a w kodzie odtwarzasz oryginalną wartość odwróconym współczynnikiem podziału. Pokażę Ci, jak policzyć dzielnik, dobrać oporniki z zestawu, połączyć go z STM32 i nie zepsuć pomiaru obciążeniem ani tolerancją.
Chcesz zbudować dzielnik napięcia z rezystorów i połączyć go z ADC? Zacznijmy od problemu: przetwornik mierzy tylko napięcie w zakresie swojego odniesienia. Akumulator, zasilacz 12 V albo czujnik z wyższym wyjściem dają więcej, niż pin układu przyjmie.
Za wysokie napięcie na pinie uszkodzi go, a często cały układ. Ratują Cię dwa oporniki.
W tym wpisie obliczysz dzielnik, dobierzesz wartości z typowego zestawu, zmontujesz go na płytce i przeliczysz odczyt na napięcie w kodzie. Źródła przy tym nie obciążysz bez potrzeby. Elektronika i elektryka często spotykają się właśnie w takim prostym obwodzie.
Plan wygląda tak: wzór, dobór wartości, wpływ obciążenia i tolerancji, konfiguracja ADC oraz typowe błędy.
Zasada działania: czym jest dzielnik napięcia i jak działa
Dzielnik napięcia to dwa rezystory połączone szeregowo. Napięcie wejściowe podajesz na oba naraz, a sygnał zdejmujesz ze środkowego węzła.
Przez oba oporniki płynie ten sam prąd płynący w obwodzie, bo w połączeniu szeregowym nie ma gdzie go zgubić. Z prawa Ohma wynika, że na większej rezystancji odłoży się większa część napięcia. Napięcie elektryczne dzieli się więc proporcjonalnie do wartości.
Napięcie na każdym elemencie to jego rezystancja razy natężenie prądu elektrycznego. Taki spadek napięcia jest proporcjonalny do wartości, a suma spadków równa się napięciu źródła (prawo Kirchhoffa dla oczka).
Przyjmijmy oznaczenia: R1 leży od strony wejścia, a R2 od strony masy. Wyjście bierzesz na R2, czyli między środkiem a masą.
Potencjometr to ten sam obwód, tylko z ruchomym suwakiem. Suwak ustawia podział napięcia, więc działa jak regulowany dzielnik. Tak reguluje się choćby głośność we wzmacniaczu.
Tu mówimy o obwodach prądu stałego (DC). Dla przebiegu przemiennego (AC) istnieją też dzielniki z kondensatorów i cewek, ale to osobny temat.
Jak obliczyć dzielnik napięcia i napięcie wyjściowe dzielnika
Wzór wyprowadzisz w trzech krokach, wychodząc z prawa Ohma. Napięcie na wejściu oznaczmy jako Uwej, a to na wyjściu jako Uwyj.
- Prąd w szeregu, i = Uwej / (R1 + R2).
- Napięcie na R2, uwyj = I * R2.
- Wzór końcowy po podstawieniu, uwyj = Uwej * R2 / (R1 + R2).
Uwyj = Uwej * R2 / (R1 + R2)
wspolczynnik = R2 / (R1 + R2)
Uwej = Uwyj / wspolczynnikWspółczynnik podziału to ułamek mniejszy od 1. Odwrócony przyda Ci się w kodzie, żeby odtworzyć wartość ze źródła.
Przykład: źródło 12 V, R1 = 27 kΩ, R2 = 10 kΩ. Takie wartości zwykle znajdziesz w zestawach, ale zerknij do swojego organizera.
| Krok | Obliczenie | Wynik |
|---|---|---|
| Rezystancja całkowita | 27 kΩ + 10 kΩ | 37 kΩ |
| Prąd | 12 V / 37 kΩ | ok. 0,324 mA |
| Napięcie na R2 | 0,324 mA * 10 kΩ | ok. 3,24 V |
| Napięcie na R1 | 12 V – 3,24 V | ok. 8,76 V |
Współczynnik podziału wynosi tu 10/37, czyli około 0,27. Zawsze sprawdź, czy suma spadków daje napięcie źródła. Prąd przepływający przez parę wyliczysz z tego samego prawa, więc masz podwójną kontrolę. Gdy nie chce Ci się liczyć ręcznie, użyj kalkulatora, ale policz raz na kartce, żeby rozumieć wynik.
Jak dobrać wartości do dzielnika dla wybranego napięcia wyjściowego
Zacznij od końca: ustal największe napięcie, jakie ma dojść do pinu ADC. To Twoje napięcie na wyjściu przy maksymalnym wejściu.
Potem policz współczynnik, czyli wartość docelową podzieloną przez największe napięcie ze źródła. Na koniec dobierz parę, której stosunek R2/(R1+R2) jest jak najbliższy. Dzięki temu dostosowanie dzielnika do różnych napięć sprowadza się do zmiany jednej wartości.
Przy wyborze rzędu wielkości musisz pójść na kompromis. Małe wartości pobierają większy prąd ze źródła, a duże są wrażliwe na obciążenie przez ADC.
Magicznej wartości nie ma. Wszystko zależy od źródła (akumulator nie lubi wiecznego poboru) i od impedancji wejścia Twojego przetwornika, którą znajdziesz w datasheecie.
W praktyce: zostaw margines. Wyjście dzielnika przy najwyższym spodziewanym napięciu nie powinno dochodzić do samej granicy zakresu przetwornika.
W typowym zestawie jest 30 popularnych wartości, więc zwykle trafisz blisko żądanego współczynnika. Miej po dwie sztuki każdego rodzaju, bo czasem przyda się więcej.
Spadek napięcia na rezystorze: jak obniżyć 12 V do 3,3 V i 5 V
Dwa praktyczne przypadki policzymy do końca. W obu źródłem jest 12 V, a R2 wynosi 10 kΩ.
| Przypadek | R1 | Napięcie wejściowe | Współczynnik | Napięcie wyjściowe | Prąd dzielnika |
|---|---|---|---|---|---|
| 12 V do ok. 3,3 V | 27 kΩ | 12 V | 0,270 | ok. 3,24 V | ok. 0,32 mA |
| 12 V do ok. 5 V | 15 kΩ | 12 V | 0,400 | 4,8 V | 0,48 mA |
Spadek napięcia na R1 jest tu większy niż na R2. Moc to napięcie razy prąd, więc dla elementów 1/4 W przy takich prądach zapas jest ogromny.
Uwaga: pin ADC nie zawsze toleruje 5 V. Liczysz więc względem zasilania analogowego i odniesienia swojego układu, a nie względem wygodnej wartości.
Dopuszczalną wartość na pinie sprawdź w datasheecie konkretnego modelu, zanim cokolwiek zepniesz. Wariant 5 V ma sens tylko tam, gdzie odniesienie ADC faktycznie na to pozwala.
Bezpieczeństwo: dzielnik nie daje izolacji galwanicznej. Przy napięciu sieciowym i innych niebezpiecznych poziomach nie łącz go bez odpowiednich zabezpieczeń i izolacji.
Gdzie kupić rezystory i jak połączyć dzielnik z STM32
Połączenie jest proste. Źródło idzie na R1, środek dzielnika na pin ADC, a R2 na masę.
- plus źródła do wolnego końca R1,
- węzeł między R1 i R2 do wejścia analogowego mikrokontrolera,
- wolny koniec R2 do masy,
- masa źródła połączona z masą płytki.
Brak wspólnej masy to najczęstsza przyczyna dziwnych odczytów. Jeśli źródło ma osobną masę, a Ty jej nie łączysz, ADC mierzy coś zupełnie innego, niż myślisz.
Zmontuj dzielnik na płytce stykowej, żeby łatwo wymieniać wartości. Dobrze sprawdza się Zestaw rezystorów 1/4W 600 sztuk, dostępny w sklepie msalamon.pl. Przyda się też w swoich projektach elektronicznych i w laboratorium przy serwisie.
Oporniki w zestawie są metalizowane, 1/4 W, o tolerancji 1%. Paski opisują wartość, więc nie musisz odczytywać kolorów, ale i tak zmierz parę multimetrem.
Informację o ADC znajdziesz w dokumentacji swojej płytki, bo zależy od układu.
Przydadzą Ci się jeszcze przewody połączeniowe i płytka stykowa. Podstawy samego ADC masz w osobnym wpisie o przetworniku w STM32.
Konfiguracja ADC w STM32CubeMX dla dzielnika napięcia
W STM32CubeMX włącz kanał ADC odpowiadający pinowi z dzielnika. Wybierz tryb pojedynczej konwersji albo ciągły.
Pojedyncza konwersja wygodnie sprawdza się, gdy mierzysz rzadko, np. co jakiś czas w pętli głównej. Tryb ciągły weź, gdy chcesz mieć odczyt stale pod ręką.
Najbardziej uważaj na czas próbkowania. Wejście ADC ładuje wewnętrzny kondensator próbkujący przez rezystancję źródła, a źródłem jest tu dzielnik.
Duże wartości wymagają dłuższego próbkowania, bo inaczej pojemność nie zdąży się naładować i wynik wyjdzie zaniżony. Dokładne dopuszczalne wartości znajdziesz w datasheecie i reference manualu swojego układu.
Sprawdź też napięcie odniesienia. Od niego zależy przeliczenie surowego wyniku na wolty, więc zweryfikuj jego wartość
Niektóre rodziny zalecają kalibrację ADC przed pomiarem. Zajrzyj do dokumentacji swojej rodziny i dopisz ją, jeśli jest wymagana.
Odczyt danych i obliczanie napięcia wejściowego w kodzie
Odczyt ma trzy etapy: start konwersji, oczekiwanie na wynik i pobranie wartości. Potem surową liczbę przeliczasz na napięcie na pinie, a na końcu mnożysz przez odwrócony współczynnik podziału.
#include "main.h"
#define R1_OHM 27000.0f
#define R2_OHM 10000.0f
#define VREF_V 3.3f
#define ADC_MAX 4095.0f
extern ADC_HandleTypeDef hadc1;
float ReadDividerInput(void)
{
HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
uint32_t raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
float u_pin = (float)raw * VREF_V / ADC_MAX;
return u_pin * (R1_OHM + R2_OHM) / R2_OHM;
}Funkcja zwraca napięcie źródła w woltach. Stałe VREF_V i ADC_MAX dopasuj do swojego odniesienia i rozdzielczości z CubeMX, bo przy innej rozdzielczości liczba maksymalna będzie inna.
Uchwyt hadc1 to nazwa wygenerowana przez CubeMX dla pierwszego przetwornika. U Ciebie może się nazywać inaczej.
Przykład: gdy na pinie jest ok. 3,24 V, funkcja zwróci około 12 V. Te same wzory, które liczyłeś na kartce, działają teraz w kodzie. Wystarczy pomnożyć wynik przez odwrócony współczynnik.
Pułapka: HAL_MAX_DELAY blokuje program, jeśli konwersja nigdy się nie skończy. W docelowym projekcie dodaj sensowny limit czasu i obsłuż błąd.
Obciążenie, tolerancja i praktyczne zastosowania dzielnika napięcia
Wzór zakłada, że z węzła środkowego nic nie płynie. W rzeczywistości wejście ADC to dodatkowa rezystancja równolegle do R2, która zmienia współczynnik podziału.
Im większe wartości w stosunku do impedancji ADC, tym większy błąd. Duże rezystancje oszczędzają więc prąd, ale psują dokładność pomiaru.
Tolerancja 1% znaczy, że każdy opornik może odbiegać od nominału w tych granicach. Błąd współczynnika składa się z błędów obu, więc najgorszy przypadek wychodzi większy niż 1%.
Do pomiarów precyzyjnych zmierz rzeczywiste wartości multimetrem i wpisz je do stałych w kodzie. Taka kalibracja programowa często poprawia wynik bardziej niż droższe części.
Typowe zastosowania to kontrola napięcia akumulatora, monitorowanie zasilacza oraz skalowanie sygnału z czujnika o wyższym zakresie niż ADC. Podobna idea pojawia się przy polaryzacji tranzystora bipolarnego.
Przy bardzo wysokich napięciach (rzędu kV) potrzebujesz dzielnika wysokiego napięcia z elementami wysokonapięciowymi, a to już inna liga bezpieczeństwa. Do pomiaru wysokiego napięcia AC stosuje się też pojemnościowy dzielnik napięcia, który działa inaczej niż rezystorowy.
Wskazówka: jeśli odczyt jest zaszumiony, dodaj mały filtr pojemnościowy od węzła środkowego do masy. Dobierz go do czasu próbkowania, żeby nie opóźniać wyniku.
Podsumowanie
Wiesz już, jak działa dzielnik, jak go policzyć i jak dobrać wartości z dostępnego zestawu. Współczynnik podziału odwracasz w kodzie, żeby odtworzyć napięcie źródła.
Umiesz połączyć dzielnik z płytką ze wspólną masą i skonfigurować ADC tak, żeby czas próbkowania pasował do rezystancji źródła. Obciążenie i tolerancja wpływają na wynik, więc je uwzględniaj.
Na start zmierz rzeczywiste napięcie multimetrem i porównaj z odczytem z mikrokontrolera. Różnica pokaże Ci, ile musisz skorygować w stałych.
FAQ – dzielnik napięcia rezystory
1. Jak obliczyć dzielnik napięcia? Napięcie wyjściowe to napięcie wejściowe razy R2 podzielone przez sumę R1 i R2. R2 leży od strony masy, a wyjście zdejmujesz na nim.
2. Do czego służy dzielnik napięcia? Obniża napięcie do poziomu bezpiecznego dla wejścia, na przykład ADC. Służy też do polaryzacji elementów i regulacji sygnału potencjometrem.
3. Jakie rezystory wybrać do dzielnika napięcia? Wybierz parę o stosunku zbliżonym do potrzebnego współczynnika i o rozsądnych wartościach. Zbyt małe pobierają dużo prądu, a zbyt duże są wrażliwe na obciążenie przez ADC.
4. Czy dzielnik napięcia może zasilać obciążenie? Tylko bardzo małe, bo obciążenie zmienia rezystancję R2 i psuje podział. Do zasilania układów służą stabilizatory, nie dzielniki.
5. Czy dzielnik rezystorowy nadaje się do wysokiego napięcia? Nie bez dodatkowych zabezpieczeń, bo nie daje izolacji galwanicznej. Przy napięciach niebezpiecznych potrzebujesz odpowiednich elementów i środków ochrony.
6. Jak działa dzielnik napięcia z potencjometrem? Suwak potencjometru przesuwa punkt podziału między dwiema częściami toru rezystancyjnego. Napięcie na suwaku zmienia się płynnie od zera do wartości źródła.
Prezentowaną w artykule elektronikę – w tym zestaw rezystorów 1/4W 600 sztuk – znajdziesz w naszym sklepie sklep.msalamon.pl. Zapraszamy również na nasze social media, gdzie pokazujemy nowości i projekty.
