Jak przekonwertować sygnał analogowy 0 na 10 V na 0 do 2,5 V dla wejścia ADC?

Mam sygnał analogowy w zakresie od 0 V do 10 V. Chcę skalować liniowo do 0 do 2,5 V dla mojego ADC.

Obawiam się, że zastosowanie rezystancyjnego dzielnika napięcia wpłynie na jakość sygnału. Czy to prawda? Jeśli to nieprawda, jakiej rezystora wartości powinienem użyć do dzielnika napięcia?

Tak, dzielnik napięcia jest w teorii w porządku. To, jak wpływa to na jakość sygnału, zależy w dużej mierze od tego, co uznajesz za sygnał jakości. Czy to jest dźwięk HiFi, cyfrowy strumień danych, dźwięk głosu, RF, czy coś jeszcze?

Jest kilka problemów z rezystancyjnymi dzielnikami napięcia, o których powinieneś wiedzieć:

1. Dzielnik napięcia załaduje sygnał źródłowy. Potrzebujesz dzielnika, który wysyła 1/4 sygnału wejściowego. Zrobi to każdy dzielnik z górnym opornikiem 3x dolnym.

   

   W tym przypadku R1 = 3 * R2. Impedancja patrząc na dzielnik od źródła będzie wynosić R1 + R2. Musisz upewnić się, że jest wystarczająco wysoki, aby nie ładować sygnału źródłowego, aby zmienić jego charakterystykę do punktu, na którym ci zależy. Na przykład, jeśli R1 = 30kΩ i R2 = 10kΩ, dzielnik załaduje źródło 40kΩ.

2. Rozważ impedancję wyjściową. To jest większość tego, o czym mówił Steven. Przy doskonałym źródle napięcia (impedancja 0) napędzającym dzielnik, impedancja wyjściowa wynosi R1 // R2. Przy powyższych przykładowych wartościach byłoby to 30 kΩ // 10 kΩ = 7,5 kΩ. Jak wspomniał Steven, należy to wziąć pod uwagę przy podłączaniu do mikrokontrolera A / D. Obciążenie wyjścia dzielnika nie jest tak dużym problemem, jak to, że A / D potrzebuje pewnej skończonej impedancji, aby naładować swoją wewnętrzną czapkę trzymającą w ograniczonym czasie. Przy wysokiej impedancji niewielki prąd upływowy styku A / D pomnożony przez impedancję wytwarza również wystarczające napięcie przesunięcia, aby zepsuć odczyt A / D. Z powodu tych problemów producenci mikrokontrolerów określają maksymalną impedancję do sterowania wejściem A / D. W starych PIC z 8 lub 10 bitowymi A / Ds było to zwykle 10 kΩ. Jest to mniejsze w niektórych nowszych szybkich A / D lub w wyższej rozdzielczości, np. 12 bitów. Niektóre z rodziny dsPIC wymagają tylko kilku 100 Ω lub mniej.

3. Pasmo przenoszenia. Zawsze występuje pewna pojemność błądząca. Różne pojemności błądzące powodują filtry dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe. Ostateczny wynik jest nieprzewidywalny, ponieważ pojemność błądząca jest nieprzewidywalna. Na przykładzie 30 kΩ i 10 kΩ impedancja wyjściowa wynosi 7,5 kΩ. Gdyby to było na przykład obciążone 20pF, to miałbyś filtr dolnoprzepustowy z rolowaniem około 1 MHz. Jeśli sygnał jest audio, nie ma problemu. Jeśli jest to szybki sygnał cyfrowy, może to stanowić poważny problem.

   Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym jest dodanie celowej pojemności tak małej, jak to możliwe, ale kilkakrotnie oczekiwanej pojemności błądzącej, aby całkowita pojemność stała się przewidywalna. Pojemność każdego opornika musi być odwrotnie proporcjonalna do tej rezystancji. Na przykład tutaj jest ładnie zbalansowany dzielnik napięcia:

   

   Przy niskich częstotliwościach rezystory dominują i dzielą sygnał przez 4. Przy wysokich częstotliwościach kondensatory dominują i dzielą sygnał przez 4. Zwrotnica, w której działania rezystancyjne i pojemnościowe są w przybliżeniu równe, wynosi 53 kHz w tym przykładzie.

   Nawiasem mówiąc, tak działają sondy z podziałem zakresu. Sonda „10x” dzieli sygnał przez 10. Ponieważ musi to robić w całym zakresie częstotliwości lunety, do każdego rezystora dodawana jest niewielka pojemność. Błądząca pojemność nigdy nie może być dokładnie znana i i tak będzie pewna część tolerancji, więc jeden z kondensatorów jest zmienny. Tak wygląda korekta „kompensacji sondy”. Ta regulacja zmienia małą nakładkę trymowania o kilka pF. Dzięki kwadratowej fali można łatwo zobaczyć punkt, w którym pasują do siebie dzielniki pojemnościowe i rezystancyjne.

   Wadą tego podejścia pojemnościowego i rezystancyjnego jest to, że impedancja dzielnika spada przy wysokich częstotliwościach. Chociaż takie podejście jest przydatne do prawidłowego dzielenia wyższych częstotliwości, ładuje je również o wiele więcej niż tylko dwa oporniki. Nie ma darmowego lunchu.

Mam nadzieję, że teraz możesz zobaczyć niektóre problemy i kompromisy. Jeśli impedancja nie zadziała, musisz rozważyć jakieś aktywne buforowanie, takie jak Steven, już opisane. Ma to własny zestaw problemów, takich jak napięcie przesunięcia, odpowiedź częstotliwościowa i błąd wzmocnienia, jeśli wzmocnienie nie jest tylko 1, ale dotyczą innego wątku.

Zasadniczo to, co próbujesz zrobić, nazywa się „warunkowaniem sygnału”. Zwykle wygląda to tak:

Najpierw buforuj sygnał. O ile źródło 0-10 V nie ma już niskiej impedancji wyjściowej, buforuj je nieodwracalnym wzmacniaczem operacyjnym (patrz odpowiedź stevenvha). Upewnij się, że wzmacniacz operacyjny ma wystarczającą przepustowość. Zwykle jest to określane jako „iloczyn wzmocnienia i przepustowości”, ponieważ specyfikacją jest zysk obwodu pomnożony przez szerokość pasma. Nie zawsze tak jest; niektóre wzmacniacze pracują w trybie prądowym i mają wykres pokazujący wzmocnienie w stosunku do szerokości pasma. Twój przypadek jest prosty: zysk wynosi 1, więc jeśli określono iloczyn przepustowości, jest to również przepustowość przy zysku 1.

Następnie podziel wyjście przez 4 za pomocą dzielnika rezystorowego. Ponieważ używasz ADC, musisz uważać na aliasing sygnału (szum również aliasy, więc nawet jeśli twój sygnał jest znacznie poniżej częstotliwości Nyquist ADC, nadal powinieneś mieć filtr antyaliasingu). Najłatwiejszym filtrem antyaliasingowym jest po prostu umieszczenie kondensatora z wyjścia dzielnika na ziemię i potraktowanie go jak filtr RC, w którym R jest równy dwóm wartościom rezystora dzielnika równolegle. Narożnik powinien znajdować się za najwyższą częstotliwością, którą chcesz przekazać do ADC, a filtr powinien osłabić się o 6 dB na bit, zanim osiągnie częstotliwość aliasingu (czyli częstotliwość próbkowania minus częstotliwość narożna filtra).

Oto, gdzie ma znaczenie Twój typ ADC. W normalnym ADC (SAR) z kolejną aproksymacją częstotliwość próbkowania jest znacznie, dużo niższa niż w ADC sigma-delta, więc 20 dB / dekadę z filtrem RC może nie wystarczyć. W takim przypadku musisz uzyskać bardziej złożony filtr wielobiegunowy. To sama w sobie wielka dyskusja, więc na razie pominę ją; wyszukaj filtry z biegunami złożonymi i pobierz kopię TPro FilterPro, jeśli jesteś zainteresowany.

Po przefiltrowaniu sygnału może być konieczne ponowne buforowanie go, jeśli impedancja wyjściowa filtra nie jest znacznie niższa niż impedancja wejściowa ADC. Wreszcie, jeśli twoje wejście ADC ma inne przesunięcie prądu stałego od twojego wejścia, będziesz potrzebował kondensatora blokującego napięcie stałe (tj. Szeregowe). Należy to wybrać tak, jakby impedancja wejściowa ADC była rezystorem w filtrze górnoprzepustowym RC; upewnij się, że róg filtra znajduje się poniżej minimalnej częstotliwości wejściowej.

$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$
$\Omega$$\Omega$.

Alternatywnie możesz buforować dzielnik za pomocą zwalniacza napięcia, jak sugeruje Matt: