ADC girişi için 0 ila 10V analog sinyal 0 ila 2,5 V'ye nasıl çevrilir?

0V ile 10V arasında değişen bir analog sinyale sahibim. ADC için doğrusal olarak 0 - 2,5V'a kadar ölçeklendirmek istiyorum.

Dirençli bir voltaj bölücü kullanmanın sinyal kalitesini etkileyeceğinden endişe duyuyorum. Bu doğru mu? Doğru değilse, voltaj bölücü için hangi değer direncini kullanmalıyım?

Evet, teoride voltaj bölücü iyidir. Sinyal kalitesini ne kadar etkilediği, büyük ölçüde bir kalite sinyali olarak düşündüğünüze bağlıdır. Bu HiFi ses, dijital veri akışı, sesli ses, RF, başka bir şey mi?

Dirençli voltaj bölücülerinde bilmeniz gereken birkaç sorun vardır:

1. Voltaj bölücü kaynak sinyalini yükler. Giriş sinyalinin 1 / 4'ünü söndüren bir bölücüye ihtiyacınız var. Üst direnç 3x olan tüm bölücüler bunu yapacaktır.

   

   Bu durumda R1 = 3 * R2. Kaynaktan ayırıcıya bakarak empedans R1 + R2 olacaktır. Bunun, önem verdiğiniz noktaya özelliklerini değiştirmek için kaynak sinyalini yüklemeyecek kadar yüksek olduğundan emin olmalısınız. Örneğin, eğer R1 = 30kΩ ve R2 = 10kΩ ise, bölücü kaynağı 40kΩ ile yükleyecektir.

2. Çıkış empedansını göz önünde bulundurun. Bu Steven'ın bahsettiği şeylerin çoğu. Bölücüyü tahrik eden mükemmel bir voltaj kaynağı (0 empedans) ile çıkış empedansı R1 // R2'dir. Yukarıdaki örnek değerlerle, bu 30kΩ // 10kΩ = 7.5kΩ olacaktır. Steven'ın dediği gibi, bunun bir mikroişlemci A / D'ye bağlanırken göz önünde bulundurulması gerekir. Ayırıcı çıktısının yüklenmesi, A / D'nin iç tutma başlığını sonlu bir sürede şarj etmek için sonlu bir empedansa ihtiyaç duyması kadar önemli değildir. Yüksek empedansta, A / D piminin küçük kaçak akımı empedansın çarpımını da A / D okumasını bozmaya yetecek kadar ofset voltajı üretir. Bu sorunlar nedeniyle, mikrodenetleyici üreticileri A / D girişini sürmek için maksimum empedansı belirler. 8 veya 10 bit A / D'li eski PIC'lerde bu genellikle 10kΩ idi. Bu daha yeni bazı daha hızlı A / D’lerde veya 12 bit gibi daha yüksek çözünürlükte daha düşüktür. DsPIC ailesinden bazıları sadece birkaç 100 Ω veya daha azına ihtiyaç duyar.

3. Frekans tepkisi. Her zaman başıboş bir kapasitans vardır. Çeşitli kaçak kapasitanslar düşük ve yüksek geçiş filtrelerine neden olur. Nihai sonuç tahmin edilemez, çünkü başıboş kapasitans tahmin edilemez. Yine 30kΩ ve 10kΩ örneğini kullanarak çıkış empedansı 7.5kΩ'dır. Örneğin, bu 20pF ile yüklenmiş olsaydı, o zaman yaklaşık 1 MHz geri dönüşlü düşük geçişli bir filtreniz olurdu. Sinyal ses ise, sorun değil. Hızlı bir dijital sinyal ise, bu ciddi bir problem olabilir.

   Bununla başa çıkmanın bir yolu, kasıtlı kapasitansı olabildiğince küçük eklemektir, ancak toplam kapasitansın tahmin edilebilir olması için beklenen başıboş kapasitansın birkaç katıdır. Her dirençteki kapasitans, bu dirençle ters orantılı olmalıdır. Örneğin, burada güzel dengelenmiş bir voltaj bölücüsü:

   

   Düşük frekanslarda, dirençler sinyali 4'e basar ve böler. Yüksek frekanslarda, kapasitörler sinyali 4'e basar ve böler. Bu örnekte, dirençli ve kapasitif eylemlerin yaklaşık olarak eşit olduğu geçit 53 kHz'dir.

   Bu arada, bölücü kapsam probları böyle çalışır. Bir "10x" probu sinyali 10'a böler. Kapsamın tüm frekans aralığında bunu yapması gerektiğinden, her rezistansa küçük bir kapasitans eklenir. Kaçak kapasitans hiçbir zaman tam olarak bilinemez ve yine de bir kısım tolerans olacaktır, bu nedenle kapasitörlerden biri değişkendir. "Prob telafisi" ayarının yaptığı budur. Bu ayar birkaç pF'lik küçük bir trim kapağını döndürür. İçinde kare bir dalga varken, kapasitif ve rezistif bölücülerinin eşleştiği noktayı kolayca görebilirsiniz.

   Bu kapasitif ve dirençli yaklaşımın bir dezavantajı, bölücünün empedansının yüksek frekanslarda düşmesidir. Bu yaklaşım daha yüksek frekansları uygun şekilde bölmek için faydalı olsa da, onları yalnızca iki dirençten çok daha fazla yükler. Bedava öğle yemeği yok.

Umarım şimdi bazı sorunları ve tradeoffansları görebilirsiniz. Empedanslar işe yaramazsa, o zaman zaten Steven gibi tanımlanmış bir tür aktif tamponlama düşünmelisiniz. Bu, ofset gerilimi, frekans tepkisi ve kazanç sadece 1 değil, başka bir iş parçacığı için olan hata hatası gibi kendine özgü bir dizi soruna sahiptir.

Temel olarak, yapmaya çalıştığınız şeye “sinyal koşullandırma” denir. Genellikle böyle gider:

İlk önce, sinyali tamponla. 0-10 V kaynağınız düşük çıkış empedansına sahip değilse, ters çevirmeyen op amp ile tamponlayın (stevenvh'in cevabına bakınız). Op ampin yeterli bant genişliğine sahip olduğundan emin olun. Genellikle bu bir "kazanç-bant genişliği ürünü" olarak tanımlanmaktadır, çünkü spesifikasyon, bant genişliğinin çarpı çarpımının kazancıdır. Bu her zaman böyle değildir; Bazı yükselticiler geçerli moddur ve kazanç ve bant genişliğini gösteren bir grafiğe sahiptir. Sizin durumunuz basit: kazanç 1, yani bir kazanç-bant genişliği ürünü belirtilirse, 1'lik bir kazançta da bant genişliğidir.

Daha sonra, bir direnç bölücü kullanarak çıkışı 4'e bölün. Bir ADC kullandığınızdan, sinyal örtüşme konusunda dikkatli olmanız gerekir (gürültü de takma adlar, bu nedenle sinyaliniz ADC Nyquist frekansının çok altında olsa bile, yine de kenar yumuşatma filtresine sahip olmalısınız). En kolay yumuşatma önleyici filtre, bölücünüzün çıkışından toprağa bir kapasitör koymak ve R'nin paralel olarak bölücünün iki direnç değerine eşit olduğu bir RC filtresi olarak değerlendirmektir. Köşe, ADC'ye geçmek istediğiniz en yüksek frekansı geçmeli ve filtre, diğer adlandırma frekansına ulaştığında bit başına 6 dB oranında zayıflatmalıdır (bu, örnekleme oranı eksi filtre köşesi frekansıdır).

ADC tipinizin önemli olduğu yer burasıdır. Ardışık bir normal yaklaşım ADC'sinde (SAR), örnekleme oranı sigma-delta ADC'de olduğundan çok daha düşüktür, bu nedenle bir RC filtresiyle aldığınız 20 dB / on yeterli olmayabilir. Bu durumda, o zaman daha karmaşık bir çok kutuplu filtre almanız gerekir. Bu başlı başına büyük bir tartışma, bu yüzden şimdilik atlayacağım; Karmaşık kutup filtreleri aramak ve ilgileniyorsanız TI'ın FilterPro kopyasını indirin.

Sinyaliniz filtrelendikten sonra, filtrenin çıkış empedansı ADC giriş empedansından daha düşük değilse tekrar tamponlamanız gerekebilir. Son olarak, ADC girişinizde girişinizden farklı bir DC ofset varsa, bir DC-blokaj (yani seri) kapasitöre ihtiyacınız olacaktır. Bu, ADC'nin giriş empedansı bir RC yüksek geçiş filtresindeki dirençmiş gibi seçilmelidir; Filtre köşesinin minimum giriş frekansınızın altında olduğundan emin olun.

Sinyali bir direnç bölücü ile kolay olan bir faktör 4 ile bölmek istiyorsunuz. Girişteki direnç, toprağa göre 3 kat olmalıdır. Tam değer, ADC'nin giriş empedansına bağlıdır. Bu genellikle çok yüksek değildir, bu nedenle giriş empedansı bölücüyü bozabilir. 10 bin seçtiğini söyle$\Omega$ ve 3.3k$\Omega$dirençler için. Bu, 10V giriş için 2.5V'luk bir çıkış verecektir. Güzel. Ancak ADC'nin giriş empedansının da 3.3k olduğunu varsayalım.$\Omega$. Bu 3.3k paraleldir$\Omega$ bölücünüzün direnci, sonuçta 1.65k$\Omega$, böylece 4 yerine 7 ile bölmek, böylece
3.3k artırmak zorunda kalacak$\Omega$ böylece ADC'nin giriş empedansı ile birleştirilmiş direnç 3.3k olacaktır.$\Omega$.

Alternatif olarak, Matt'in önerdiği gibi bölücüyü voltaj izleyici ile tamponlayabilirsiniz: