Как преобразовать аналоговый сигнал от 0 до 10 В в напряжение от 0 до 2,5 В для входа АЦП?

У меня есть аналоговый сигнал, который находится в диапазоне от 0 до 10 В. Я хочу линейно уменьшить его до 0-2,5 В для моего АЦП.

Я обеспокоен тем, что использование резистивного делителя напряжения повлияет на качество сигнала. Это правда? Если это неправда, какое значение резистора я должен использовать для делителя напряжения?

Да, делитель напряжения в теории в порядке. Насколько это влияет на качество сигнала, во многом зависит от того, что вы считаете качественным сигналом. Это HiFi аудио, цифровой поток данных, голосовое аудио, RF, что-то еще?

Есть несколько проблем с резистивными делителями напряжения, о которых вы должны знать:

1. Делитель напряжения будет загружать сигнал источника. Вам нужен делитель, который выдает 1/4 входного сигнала. Любой делитель с верхним резистором 3х нижним будет делать это.

   

   В этом случае R1 = 3 * R2. Полное сопротивление, глядя в делитель от источника, будет R1 + R2. Вы должны убедиться, что это достаточно высоко, чтобы не загружать сигнал источника, чтобы изменить его характеристики в соответствии с тем, что вам нужно. Например, если R1 = 30 кОм и R2 = 10 кОм, то делитель будет загружать источник на 40 кОм.

2. Рассмотрим выходной импеданс. Это большая часть того, о чем говорил Стивен. При идеальном источнике напряжения (0 импеданс), управляющем делителем, выходной импеданс составляет R1 // R2. С приведенными выше примерами это будет 30 кОм // 10 кОм = 7,5 кОм. Как упомянул Стивен, это необходимо учитывать при подключении к микроконтроллеру A / D. Это не столько проблема загрузки выходного сигнала делителя, сколько то, что аналого-цифровому устройству необходим некоторый конечный импеданс для зарядки своей внутренней удерживающей крышки за конечное время. При высоком импедансе малый ток утечки на выводе A / D, умноженный на сопротивление, также создает достаточное напряжение смещения, чтобы искажать показания A / D. Из-за этих проблем производители микроконтроллеров указывают максимальный импеданс для управления аналого-цифровым входом. В старых PIC с 8 или 10-битным АЦП это обычно было 10 кОм. Это меньше в более новых более быстрых АЦП или при более высоком разрешении, например, 12 бит. Некоторым из семейства dsPIC требуется всего несколько 100 Ом или меньше.

3. Частотный отклик. Всегда есть какая-то паразитная емкость. Различные паразитные емкости будут вызывать фильтры низких и высоких частот. Окончательный результат непредсказуем, поскольку паразитная емкость непредсказуема. Снова используя пример 30 кОм и 10 кОм, выходное сопротивление составляет 7,5 кОм. Если бы он был загружен, например, 20 пФ, то у вас был бы фильтр нижних частот с спадом около 1 МГц. Если сигнал аудио, нет проблем. Если это быстрый цифровой сигнал, это может быть серьезной проблемой.

   Один из способов справиться с этим - добавить преднамеренную емкость как можно меньше, но в несколько раз больше ожидаемой паразитной емкости, чтобы общая емкость стала предсказуемой. Емкость каждого резистора должна быть обратно пропорциональна этому сопротивлению. Например, вот хорошо сбалансированный делитель напряжения:

   

   На низких частотах резисторы доминируют и делят сигнал на 4. На высоких частотах конденсаторы доминируют и делят сигнал на 4. Кроссовер, в котором резистивные и емкостные воздействия примерно равны, в данном примере составляет 53 кГц.

   Кстати, именно так работают зонды разделения области. Зонд «10x» делит сигнал на 10. Поскольку это необходимо сделать во всем частотном диапазоне прицела, к каждому резистору добавляется небольшая емкость. Паразитная емкость никогда не может быть точно известна, и в любом случае будет некоторая частичная погрешность, поэтому один из конденсаторов сделан переменным. Вот что такое «компенсация пробников». Эта регулировка превращает маленькую накладку в несколько пф. Прямоугольная волна позволяет легко увидеть точку, в которой совпадают емкостный и резистивный делители.

   Одним из недостатков этого емкостного и резистивного подхода является то, что полное сопротивление делителя снижается на высоких частотах. Хотя этот подход полезен для правильного разделения более высоких частот, он также загружает их намного больше, чем два резистора. Там нет бесплатного обеда.

Надеюсь, вы можете увидеть некоторые из проблем и компромиссов сейчас. Если импедансы не срабатывают, вам нужно рассмотреть какую-то активную буферизацию, как уже описывал Стивен. У этого есть свой собственный набор проблем, таких как напряжение смещения, частотная характеристика и ошибка усиления, если усиление не только 1, но это для другого потока.

По сути, то, что вы пытаетесь сделать, называется «формирование сигнала». Обычно это выглядит так:

Во-первых, буферизуйте сигнал. Если ваш источник 0-10 В уже имеет низкий выходной импеданс, поместите его в буфер с неинвертирующим операционным усилителем (см. Ответ Стивена). Убедитесь, что операционный усилитель имеет достаточную пропускную способность. Обычно это описывается как «произведение полосы пропускания усиления», так как спецификация - это усиление схемы, умноженное на полосу пропускания. Это не всегда так; некоторые усилители работают в токовом режиме и имеют график зависимости усиления от полосы пропускания. Ваш случай прост: усиление равно 1, поэтому, если указан продукт с усилением полосы пропускания, это также пропускная способность при усилении 1.

Затем разделите выходной сигнал на 4 с помощью резисторного делителя. Поскольку вы используете АЦП, вы должны быть осторожны с наложением сигналов (шум также псевдонимы, поэтому даже если ваш сигнал значительно ниже частоты АЦП Найквиста, вы все равно должны иметь фильтр сглаживания). Самый простой фильтр сглаживания - просто поместить конденсатор с выхода вашего делителя на землю и рассматривать его как RC-фильтр, где R равно двум значениям резистора делителя параллельно. Угол должен превышать максимальную частоту, которую вы хотите передать на АЦП, и фильтр должен ослабляться на 6 дБ на бит к тому моменту, когда он достигает частоты наложения частот (то есть частоты дискретизации минус частота угла фильтра).

Вот где ваш тип АЦП имеет значение. В обычном АЦП с последовательным приближением (SAR) частота дискретизации намного, намного ниже, чем в сигма-дельта АЦП, поэтому 20 дБ / десятилетие, которые вы получаете с RC-фильтром, может быть недостаточно. Если это так, то вам нужно установить более сложный многополюсный фильтр. Это огромная дискуссия сама по себе, поэтому я пока пропущу ее; найдите фильтры со сложными полюсами и загрузите копию FilterPro от TI, если вам интересно.

Как только ваш сигнал отфильтрован, вам может понадобиться его буферизация, если выходной импеданс фильтра не намного ниже входного импеданса АЦП. Наконец, если ваш вход АЦП имеет смещение постоянного тока, отличное от вашего входа, вам понадобится блокирующий постоянный (т.е. последовательный) конденсатор. Это должно быть выбрано так, как если бы входной импеданс АЦП был резистором в фильтре верхних частот RC; убедитесь, что угол фильтра ниже вашей минимальной входной частоты.

$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$
$\Omega$$\Omega$,

Кроме того, вы можете буферизовать делитель с помощью повторителя напряжения, как предлагает Мэтт: