Як перетворити аналоговий сигнал від 0 до 10 В до 0 до 2,5 В для входу АЦП?

У мене є аналоговий сигнал, який коливається між 0 В і 10 В. Я хочу лінійно масштабувати його до 0 до 2,5 В для мого АЦП.

Мене хвилює, що використання резистивного дільника напруги вплине на якість сигналу. Це правда? Якщо це неправда, яке значення резистора слід використовувати для дільника напруги?

Так, роздільник напруги теоретично добре. Наскільки це впливає на якість сигналу, багато в чому залежить від того, що ви вважаєте сигналом якості. Це аудіо HiFi, цифровий потік даних, голосовий аудіо, RF, щось інше?

Існує декілька проблем із резистивними розділювачами напруги, про які слід пам’ятати:

1. Дільник напруги завантажить вихідний сигнал. Вам потрібен дільник, який видає 1/4 вхідного сигналу. Будь-який дільник з верхнім резистором 3x нижній зробить це.

   

   У цьому випадку R1 = 3 * R2. Імпеданс, що дивиться в дільник від джерела, буде R1 + R2. Ви повинні переконатися, що він досить високий, щоб не завантажувати вихідний сигнал, щоб змінити його характеристики до потрібної вам точки. Наприклад, якщо R1 = 30kΩ і R2 = 10kΩ, то дільник буде завантажувати джерело 40kΩ.

2. Розглянемо вихідний опір. Це більшість того, про що говорив Стівен. З ідеальним джерелом напруги (0 імпедансу), що веде дільник, вихідний опір R1 // R2. З наведеними вище прикладами, це було б 30 кОм // 10 кОм = 7,5 кОм. Як зазначив Стівен, це потрібно враховувати при підключенні до мікроконтролера A / D. Справа не стільки в завантаженні виходу дільника, скільки в тому, що A / D потрібен деякий кінцевий опір, щоб зарядити його внутрішню кришку тримання в обмежений час. При високому опорі невеликий струм витоку штифта A / D, кращий імпедансу, також створює достатню напругу зміщення для пошкодження зчитування A / D. Через ці проблеми виробники мікроконтролерів задають максимальний опір для керування входом A / D. У старих фотокамерах з 8 або 10 бітними A / D, це, як правило, 10kΩ. Це менше у деяких нових швидших A / D або при більш високій роздільній здатності, як 12 біт. Деякі з сімейства dsPIC потребують лише декількох 100 Ом або менше.

3. Частотна характеристика. Завжди є якась бродяча ємність. Різні бродячі ємності спричинять фільтри низького та високого пропускання. Кінцевий результат непередбачуваний, оскільки збита ємність непередбачувана. Знову використовуючи приклад 30kΩ та 10kΩ, вихідний опір становить 7,5kΩ. Якщо, наприклад, це було завантажено 20pF, тоді у вас був би фільтр низьких частот з відхиленням близько 1 МГц. Якщо сигнал звуковий, проблем немає. Якщо це швидкий цифровий сигнал, це може бути серйозною проблемою.

   Один із способів вирішити це - додати навмисну ​​ємність якомога меншою, але в кілька разів більше очікуваної ємності збитого, щоб загальна ємність стала передбачуваною. Ємність у кожного резистора повинна бути обернено пропорційною цьому опору. Наприклад, ось добре збалансований дільник напруги:

   

   На низьких частотах резистори домінують і ділять сигнал на 4. На високих частотах конденсатори домінують і ділять сигнал на 4. Кросовер, де резистивні та ємнісні дії приблизно рівні, становить 53 кГц у цьому прикладі.

   До речі, саме таким чином діють зонди діапазону. Зонд "10x" ділить сигнал на 10. Оскільки це потрібно зробити у всьому діапазоні частот, до кожного резистора додається трохи ємності. Блука ємність ніколи не може бути точно відома, і в будь-якому випадку буде деяка толерантність до частини, тому один з конденсаторів робиться змінним. Ось що таке коригування "компенсації зонда". Це регулювання перетворює невелику оброблювальну кришку в декілька pF. За допомогою квадратної хвилі можна легко побачити точку, в якій ємнісні та резистивні подільники збігаються.

   Одним недоліком цього ємнісного та резистивного підходу є те, що опір дільника знижується на високих частотах. Хоча цей підхід корисний для правильного розподілу більш високих частот, він також завантажує їх набагато більше, ніж просто два резистори. Безкоштовного обіду немає.

Сподіваємось, ви можете побачити деякі проблеми та компроміси зараз. Якщо імпеданси не спрацьовують, тоді вам слід врахувати якусь активну буферизацію, як вже описаний Стівен. У нього є власний набір питань, таких як напруга зміщення, частотна характеристика та помилка посилення, якщо коефіцієнт посилення не просто 1, але це для іншого потоку.

В основному, те, що ви намагаєтеся зробити, називається "кондиціонування сигналу". Зазвичай йде так:

Спочатку буферний сигнал. Якщо ваш джерело 0-10 В вже має низький вихідний опір, захистіть його неінвертуючим підсилювачем (див. Відповідь Stevenvh). Переконайтеся, що у підсилювача є достатня пропускна здатність. Зазвичай це описується як "коефіцієнт посилення пропускної здатності", оскільки специфікація - це коефіцієнт підсилення схеми, що перевищує пропускну здатність. Це не завжди так; деякі підсилювачі поточного режиму мають графік, що показує коефіцієнт посилення та пропускної здатності. Ваш випадок простий: коефіцієнт підсилення дорівнює 1, тож якщо вказано продукт пропускної здатності, це також пропускна здатність при посиленні 1.

Далі розділіть вихід вниз на 4, використовуючи резисторний дільник. Оскільки ви використовуєте АЦП, вам слід бути обережними щодо згладжування сигналу (шум також псевдоніми, тому навіть якщо ваш сигнал значно нижче частоти ADC Nyquist, у вас все одно повинен бути фільтр протизшивання). Найпростіший фільтр для згладжування - просто встановити конденсатор з виходу дільника на землю і розглянути його як RC-фільтр, де R дорівнює паралельним двом значенням резистора. Кут повинен бути повз найвищої частоти, яку ви хочете передати АЦП, і фільтр повинен ослаблюватися на 6 дБ на біт до моменту досягнення частоти збиття (що є частотою вибірки мінус частотою кутового фільтра).

Ось де важливий ваш тип АЦП. У нормальному АЦП послідовного наближення (SAR) частота вибірки значно, значно нижча, ніж у сигма-дельта-АЦП, тому 20 дБ / десятиліття, яке ви отримуєте з RC-фільтром, може бути недостатньо. Якщо це так, то вам потрібно отримати там складніший багатополюсний фільтр. Це сама величезна дискусія, тому я зараз пропускаю її; шукайте складні полюсні фільтри та завантажте копію FilterPro TI, якщо вам це цікаво.

Після того, як ваш сигнал відфільтрований, вам, можливо, доведеться його знову заповнити, якщо вихідний опір фільтра не набагато нижче вхідного опору АЦП. Нарешті, якщо ваш вхід АЦП відрізняється зміщенням постійного струму від вашого входу, вам знадобиться конденсатор, що блокує постійний струм (тобто серія). Це слід вибирати так, ніби вхідним опором АЦП є резистор у високочастотному фільтрі RC; переконайтесь, що кут фільтра знаходиться нижче мінімальної вхідної частоти.

Ви хочете розділити сигнал на коефіцієнт 4, що легко з дільником резистора. Резистор на вході повинен бути в 3 рази більшим за заземлення. Точне значення залежить від вхідного опору АЦП. Зазвичай це не дуже високо, тому вхідний опір може спотворити дільник. Скажіть, ви вибрали 10 к$\Omega$ і 3.3k$\Omega$для резисторів. Це дасть вам 2,5 В для 10 В входу. Приємно. Але припустимо, вхідний опір АЦП також становить 3,3 к$\Omega$. Це паралельно 3.3k$\Omega$ резистор вашого дільника, в результаті чого виходить 1.65k$\Omega$, так що ви розділите на 7 замість 4.
Отже, вам доведеться збільшити 3.3k$\Omega$ так що комбінований опір з вхідним опором АЦП буде 3,3 к$\Omega$.

Можна також поділити дільник за допомогою послідовника напруги, як пропонує Метт: