Come convertire da 0 a 10 V segnale analogico da 0 a 2,5 V per l'ingresso ADC?

Ho un segnale analogico che varia tra 0 V e 10 V. Voglio ridimensionarlo linearmente da 0 a 2,5 V per il mio ADC.

Sono preoccupato che l'uso di un partitore di tensione resistivo influenzerà la qualità del segnale. È vero? Se non è vero, quale resistore di valore dovrei usare per il partitore di tensione?

Sì, un partitore di tensione va bene in teoria. Quanto influisce sulla qualità del segnale dipende in gran parte da ciò che si considera un segnale di qualità. È questo audio HiFi, un flusso di dati digitali, audio vocale, RF, qualcos'altro?

Esistono diversi problemi con i divisori di tensione resistivi che dovresti conoscere:

1. Il divisore di tensione caricherà il segnale sorgente. È necessario un divisore che emetta 1/4 del segnale di ingresso. Qualsiasi divisore con la resistenza superiore 3x quella inferiore lo farà.

   

   In questo caso R1 = 3 * R2. L'impedenza che esamina il divisore dalla sorgente sarà R1 + R2. Devi assicurarti che sia abbastanza alto da non caricare il segnale sorgente per cambiare le sue caratteristiche nel punto a cui tieni. Ad esempio, se R1 = 30kΩ e R2 = 10kΩ, il divisore caricherà la sorgente con 40kΩ.

2. Considera l'impedenza di uscita. Questo è quasi tutto ciò di cui parlava Steven. Con una sorgente di tensione perfetta (impedenza 0) che guida il divisore, l'impedenza di uscita è R1 // R2. Con i valori di esempio sopra, questo sarebbe 30kΩ // 10kΩ = 7.5kΩ. Come accennato da Steven, questo deve essere considerato quando ci si collega a un microcontrollore A / D. Non è tanto un problema di caricamento dell'uscita del divisore quanto l'A / D ha bisogno di una certa impedenza finita per caricare il suo cappuccio di tenuta interno in tempo finito. Ad alta impedenza, la piccola corrente di dispersione del pin A / D moltiplicata per l'impedenza produce anche una tensione di offset sufficiente a corrompere la lettura A / D. A causa di questi problemi, i produttori di microcontrollori specificano un'impedenza massima per il pilotaggio di un ingresso A / D. Nei vecchi PIC con A / D a 8 o 10 bit, questo era generalmente di 10 kΩ. Ciò è minore in alcuni A / D più recenti o con una risoluzione più elevata come 12 bit. Alcuni membri della famiglia dsPIC richiedono solo pochi Ω o meno.

3. Risposta in frequenza. C'è sempre qualche capacità parassita. Le varie capacità parassite causeranno filtri passa basso e passa alto. Il risultato finale è imprevedibile poiché la capacità parassita è imprevedibile. Utilizzando nuovamente l'esempio 30kΩ e 10kΩ, l'impedenza di uscita è 7,5kΩ. Se questo fosse caricato con 20pF, ad esempio, allora avresti un filtro passa basso con rolloff di circa 1 MHz. Se il segnale è audio, nessun problema. Se si tratta di un segnale digitale veloce, potrebbe essere un problema serio.

   Un modo per gestirlo è aggiungere una capacità deliberata il più piccola possibile ma più volte la capacità parassita prevista in modo che la capacità totale diventi prevedibile. La capacità che attraversa ciascun resistore deve essere inversamente proporzionale a quella resistenza. Ad esempio, ecco un divisore di tensione ben bilanciato:

   

   Alle basse frequenze, i resistori dominano e dividono il segnale per 4. Alle alte frequenze, i condensatori dominano e dividono il segnale per 4. In questo esempio, il crossover in cui le azioni resistive e capacitive sono circa uguali è 53 kHz.

   A proposito, questo è il modo in cui funzionano le sonde di ambito divisori. Una sonda "10x" divide il segnale per 10. Dato che deve farlo attraverso l'intera gamma di frequenze dell'oscilloscopio, viene aggiunta una piccola capacità a ciascun resistore. La capacità parassita non può mai essere conosciuta con precisione e ci sarà comunque una certa tolleranza parziale, quindi uno dei condensatori viene reso variabile. Questa è la regolazione della "compensazione della sonda". Questa regolazione trasforma un piccolo cappuccio di rifinitura di alcuni pF. Con un'onda quadrata, puoi vedere facilmente il punto in cui i divisori capacitivi e resistivi corrispondono.

   Uno svantaggio di questo approccio capacitivo e resistivo è che l'impedenza del divisore scende alle alte frequenze. Sebbene questo approccio sia utile per dividere correttamente le frequenze più alte, le carica anche molto più di quanto farebbero solo due resistori. Non c'è pranzo libero.

Spero che tu possa vedere alcuni dei problemi e dei compromessi ora. Se le impedenze non si risolvono, è necessario considerare una sorta di buffering attivo come già descritto da Steven. Questo ha il suo set di problemi, come la tensione di offset, la risposta in frequenza e l'errore di guadagno se il guadagno non è solo 1, ma quelli sono per un altro thread.

Fondamentalmente, quello che stai cercando di fare è chiamato "condizionamento del segnale". In genere va così:

Innanzitutto, bufferizza il segnale. A meno che la tua sorgente 0-10 V non abbia già un'impedenza di uscita bassa, bufferla con un amplificatore operazionale non inverso (vedi la risposta di Stevenvh). Assicurarsi che l'amplificatore operazionale abbia una larghezza di banda sufficiente. Di solito questo viene descritto come un "prodotto della larghezza di banda del guadagno" poiché la specifica è il guadagno del circuito moltiplicato per la larghezza di banda. Questo non è sempre il caso; alcuni amplificatori sono in modalità corrente e hanno un grafico che mostra il guadagno rispetto alla larghezza di banda. Il tuo caso è semplice: il guadagno è 1, quindi se viene specificato un prodotto con larghezza di banda di guadagno, è anche la larghezza di banda con un guadagno di 1.

Quindi, dividere l'uscita per 4 utilizzando un divisore di resistenza. Dato che stai usando un ADC, devi fare attenzione all'aliasing del segnale (rumore anche alias, quindi anche se il tuo segnale è ben al di sotto della frequenza di Nyquist ADC, dovresti comunque avere un filtro anti-aliasing). Il filtro anti-aliasing più semplice consiste nel mettere a terra un condensatore dall'uscita del divisore e trattarlo come un filtro RC, dove R è uguale ai due valori di resistenza del divisore in parallelo. L'angolo dovrebbe superare la frequenza più alta che si desidera passare all'ADC e il filtro dovrebbe attenuarsi di 6 dB per bit quando raggiunge la frequenza di aliasing (ovvero la frequenza di campionamento meno la frequenza dell'angolo del filtro).

Ecco dove conta il tuo tipo di ADC. In un normale ADC ad approssimazione successiva (SAR), la frequenza di campionamento è molto, molto più bassa rispetto a un ADC sigma-delta, quindi i 20 dB / decennio ottenuti con un filtro RC potrebbero non essere sufficienti. In tal caso, devi inserire un filtro multipolare più complesso. Questa è un'enorme discussione in sé, quindi per ora la salterò; cerca i filtri a polo complesso e scarica una copia di FilterPro di TI se sei interessato.

Una volta filtrato il segnale, potrebbe essere necessario eseguire nuovamente il buffer se l'impedenza di uscita del filtro non è molto inferiore all'impedenza di ingresso ADC. Infine, se il tuo ingresso ADC ha un offset DC diverso dal tuo ingresso, avrai bisogno di un condensatore con blocco DC (cioè serie). Questo dovrebbe essere scelto come se l'impedenza di ingresso dell'ADC fosse la resistenza in un filtro passa-alto RC; assicurarsi che l'angolo del filtro sia inferiore alla frequenza di ingresso minima.

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In alternativa, puoi bufferizzare il divisore con un follower di tensione, come suggerisce Matt: