ESP32&Phyphox能直接測量負電壓嗎

2021-02-24 阿璇教學研究室
ESP32&Phyphox能直接測量負電壓嗎

ESP32&Phyphox的電流、電阻以及其他一些物理的測量與表現，其實本質都是電壓的測量，或者說是某一隻引腳相對於地(GND)的電勢的測量。所以只要能讓Phyphox藉助ESP32測量外部待測物理量轉化後所對應的電壓，這個物理實驗就能進入Phyphox的範疇。

對斷電自感及交變電流實驗，電路元件上會出現電勢由「左高右低」到「左低右高」的變換，ESP32要在一個時間裡測量負電壓。但是ESP32(以及Arduino等絕大部分的單片機)是不能直接測量負電壓的，也就是某隻引腳電壓相對地為負，那麼ESP32會將其處理為零。ESP32不主張這種做法——ESP32的一些引腳不允許有大的輸入電流，可能會損壞開發板。

測量負電壓較好的處理辦法是，直接使用ADS1115，精度很高，結構簡單，經濟實惠。另一個辦法是使用加法器，把待測電壓和一個大一些的直流電壓都輸入放大器，之後再減去直流。可以用三極體搭，也可以找這種現成的功放板。這種小板子有很多賣的，可是ADS1115仍顯得方便。

問題是，如果把原理極簡化，只是針對中學生對象講解中學物理實驗，在稍稍提高一點分壓電路的知識原理裡面，是否有方案呢？確實是有的。我們把電壓直接用ESP32的5V電壓引出腳抬升起來就行了。電路圖和在Multisim的仿真情況，如圖1。

圖1 電路圖與仿真

R1、R2這兩隻分壓電阻應該不能太大(我沒有嘗試其他值)，如果太大可能會使驅動電流過小，而造成在IO33引腳上測量的電壓維持在VCC的5V上不變。

從原理上，有、，得到，顯然測量範圍可以在正、負5V之間。

現在，仍然用以前的Phyphox電壓表來測量IO33上的電壓。測一節乾電池的負電壓，如圖2、圖3。

圖2 反接一節乾電池，負壓被抬升

圖3 反接一節乾電池，運算後的數值

接下來，直接把輸入端短接，令輸入電壓為零，得到輸出電壓1.96V；用精度高一些的電壓表測量乾電池兩端的電動勢，1.60V，輸入，得到輸出電壓1.10V。因為、是線性關係，計算得到。如圖4。

圖4 實測輸入輸出電壓的換算關係

以下的事情我沒做，但這必須是要做的。

我們用仿真做的東西，只是看看原理能不能過，而在真實的實驗中，電阻的精度、接觸電阻、電源的性能甚至導線的長短等，都會對測量結果產生一些影響。需要校準。象圖5那樣，直接找個雙蹤示波器，或者多路的數字萬用表，直接把輸入輸出兩個端子夾上，使出來微調偏壓電阻等等手段，調整完畢，標上級別，這個ESP32就儘量別再動了，這樣可以迴避一些麵包板上插孔鬆脫等問題。再到Phyphox Editor裡面把界面整理整理，這個電壓表，要比前面那些電壓表完美一些，因為它能測負電壓了。

圖5 可測負電壓電錶的校準

剛接觸ESP32的時候，買過的兩塊板，都是自帶標準+5V輸出的36引腳版本，近期才知道還有一種30引腳版本。本來以後30引腳的3V3引腳只能輸出3.3V，結果測量之下，竟然輸出的是5.0V！也是很有趣的現象。

本實驗研究的電路實物圖，如圖6。

圖6 可測負電壓的ESP32&Phyphox電壓表實物

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