Генератор отрицательного напряжения от ШИМ Arduino

Электросхема
Сборка платы
Тестовый стенд
Что нужно для проекта
Тестовый скетч

На страничках этого сайта уже есть преобразователь однополярного напряжения в двухполярное, которое позволяет получить, в том числе, и отрицательное напряжение. Это довольно массивное устройство, рассчитанное на большую мощность. Но иногда возникает необходимость в небольшом маломощном негативном сигнале, например, для питания операционного усилителя. На этой страничке представлено такое устройство, позволяющее с помощью ШИМ-сигнала от Arduino сгенерировать отрицательное напряжение. Оно может понадобиться, когда ОУ работает с "минусовыми" сигналами или в зоне нулевых величин.

Генератор отрицательного напряжения от ШИМ Arduino

Для генерации сигнала будут использованы возможности самой платы Arduino. Например, Arduino UNO имеет шесть каналов выдачи ШИМ-сигналов, которые можно задействовать для дальнейшей обработки. Установив скважность сигнала 127 (50% от полного спектра ШИМ в 256 градаций 0...255), мы сможем получить на выходе около -4,3 вольт.

Идея устройства взята с сайта mypractic.ru

На рисунке ниже представлена электросхема генератора отрицательного напряжения. Еще ниже приведены пояснения, которые помогут лучше понять принцип работы устройства.

Что бы устройство заработало, нам понадобится один из выходов Arduino, который может генерировать ШИМ-сигнал. У Arduino UNO это цифровые пины 3, 5, 6, 9, 10, 11. Для активации ШИМ функции этих пинов в скетче нужно прописать команду analogWrite (pwmPinNegative, pwmValue) в разделе void setup(), где pwmPinNegative - один из ШИМ-пинов, а pwmValue - скважность сигнала. Скважность устанавливаем 127, что составляет 50% (0...255). После запуска программы на выходе с контроллера мы получим сигнал прямоугольной формы с диапазоном от 0 до 5 вольт.

Электросхема генератора отрицательного напряжения

При наличии сигнала 5 вольт на выходе с Arduino конденсатор С1 будет заряжаться через резистор R1 и диод D1. При отсутствии сигнала (0 вольт) конденсатор С1 разряжается на конденсатор С2 по цепи : выход контроллера, резистор R1 и диод D2. Таким образом на конденсаторе С2 формируется отрицательное напряжение около -4,3 вольт.

Обратите внимание, конденсаторы в схеме - электролитические - соблюдайте полярность. Землю на клеммнице ШИМ-сигнала соединяйте с землей Arduino (если используйте шилд, то с землей ШИМ-пина). А землю на клеммнице выхода отрицательного напряжения с землей устройства, на которое вы подаете это напряжение.

Схема пайки элементов генератора представлена на рисунке ниже. За базу взята макетная плата 35х35 мм. Конечно вы можете расположить элементы по другому и более компактно. Данное устройство выполнено в виде отдельного модуля, естественно, его можно встраивать в готовые изделия. Обратите внимание, этот генератор дает наводки характерной формы, поэтому модульная форма позволяет выносить его на некоторое расстояние от чувствительных элементов схемы.

Схема пайки генератора отрицательного напряжения на макетной плате

Примечания :

1. Все подводы и отводы выполнены в трех вариантах : клеммница, штыревой соединитель "папа" и "мама" для проводов Dupont.
2. Мощность резистора 0,25 ватт.

Для проверки работы генератора вы можете собрать тестовый стенд, схема которого представлена ниже.

Схема подключения генератора отрицательного напряжения

В конце страницы вы найдете небольшой скетч, который запускает генерацию ШИМ-сигнала с платы Arduino.

Генератор отрицательного напряжения

• макетная плата под пайку 35х35 мм - 1 шт
• клеммницы двойные - 2 шт
• резистор 100 Ом (0,25 Вт) - 1 шт
• конденсатор электролитический 47 мкФ - 2 шт
• диод 1N4148 (datasheet) - 2 шт
• провод типа AWG - 10 см
• штыревой соединитель - 4 шт
• разъем PBS - 4 шт

Тестовый стенд

• PLC Arduino UNO (datasheet) - 1 шт
• Sensor Shield v 5.0 (datasheet) - 1 шт
• понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• LCD-дисплей 1602 (datasheet) + модуль I2C - 1 шт
• стойка мама-мама М3х15 - 8 шт (для монтажа LCD-дисплея и генератора напряжения)
• гайка М3 - 50 шт и более в зависимости от способа крепления вышеуказанных элементов
• болт М3х15, М3х10 - 20 шт и более
• провод Dupont мама-мама или папа-мама (20 см) - 30 шт и более в зависимости от типа пинов соединяемых элементов
• провод типа AWG - 50 см (соединение штекер - DC-DC преобразователь - Sensor Shield)
• штекер питания DC 2.1 мм с клеммной колодкой папа и мама - 1 пара (для подключения шилда)
• кусок оргстекла или т.п. - 20х30 см (для монтажа всех элементов)
• болт М6х15 и гайка - 4 шт (ножки оргстекла)

Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке.

Для работы этого скетча вам понадобятся дополнительные библиотеки :

• Wire.h - библиотека для работы с протоколом I2C. Это стандартная библиотека, она входит в комплект среды программирования Arduino IDE.
• LiquidCrystal_I2C.h - библиотека для работы с LCD по протоколу I2C. Скачать.

Если есть возможность, проверьте эти библиотеки на наличие обновлений.