¿Cómo convertir la señal analógica de 0 a 10 V a 0 a 2.5 V para la entrada ADC?

Tengo una señal analógica que oscila entre 0V y 10V. Quiero escalarlo linealmente a 0 a 2.5V para mi ADC.

Me preocupa que el uso de un divisor de voltaje resistivo afecte la calidad de la señal. ¿Es esto cierto? Si no es cierto, ¿qué resistencia de valor debo usar para el divisor de voltaje?

Sí, un divisor de voltaje está bien en teoría. Cuánto afecta la calidad de la señal depende en gran medida de lo que considere una señal de calidad. ¿Es este audio de alta fidelidad, un flujo de datos digitales, audio de voz, RF, algo más?

Hay varios problemas con los divisores de voltaje resistivos que debe tener en cuenta:

1. El divisor de voltaje cargará la señal fuente. Necesita un divisor que emite 1/4 de la señal de entrada. Cualquier divisor con la resistencia superior 3 veces la inferior lo hará.

   

   En este caso R1 = 3 * R2. La impedancia que mira al divisor desde la fuente será R1 + R2. Debe asegurarse de que sea lo suficientemente alto como para no cargar la señal fuente para cambiar sus características al punto que le interesa. Por ejemplo, si R1 = 30kΩ y R2 = 10kΩ, entonces el divisor cargará la fuente con 40kΩ.

2. Considere la impedancia de salida. Esto es sobre todo de lo que Steven estaba hablando. Con una fuente de voltaje perfecta (0 impedancia) que impulsa el divisor, la impedancia de salida es R1 // R2. Con los valores de ejemplo anteriores, eso sería 30kΩ // 10kΩ = 7.5kΩ. Como Steven mencionó, esto debe tenerse en cuenta al conectarse a un microcontrolador A / D. No se trata tanto de cargar la salida del divisor como de que el A / D necesita cierta impedancia finita para cargar su límite de retención interno en un tiempo finito. A alta impedancia, la poca corriente de fuga del pin A / D multiplicada por la impedancia también produce suficiente voltaje de compensación para corromper la lectura A / D. Debido a estos problemas, los fabricantes de microcontroladores especifican una impedancia máxima para conducir una entrada A / D. En los PIC antiguos con A / D de 8 o 10 bits, esto generalmente era de 10kΩ. Esto es menor en algunos A / D más nuevos más rápidos o en una resolución más alta como 12 bits. Algunos miembros de la familia dsPIC requieren solo unos pocos 100 Ω o menos.

3. Respuesta frecuente. Siempre hay alguna capacitancia perdida. Las diversas capacidades parásitas causarán filtros de paso bajo y alto. El resultado final es impredecible ya que la capacitancia parásita es impredecible. Usando nuevamente el ejemplo de 30kΩ y 10kΩ, la impedancia de salida es de 7.5kΩ. Si esto se cargara con 20pF, por ejemplo, entonces tendría un filtro de paso bajo con una reducción de aproximadamente 1 MHz. Si la señal es audio, no hay problema. Si es una señal digital rápida, eso podría ser un problema grave.

   Una forma de lidiar con esto es agregar una capacitancia deliberada lo más pequeña posible pero varias veces la capacitancia parásita esperada para que la capacitancia total sea predecible. La capacitancia a través de cada resistencia debe ser inversamente proporcional a esa resistencia. Por ejemplo, aquí hay un divisor de voltaje muy bien equilibrado:

   

   A bajas frecuencias, las resistencias dominan y dividen la señal por 4. A altas frecuencias, los condensadores dominan y dividen la señal por 4. El cruce donde las acciones resistivas y capacitivas son casi iguales es 53 kHz en este ejemplo.

   Por cierto, así es como funcionan las sondas de alcance dividido. Una sonda "10x" divide la señal por 10. Como necesita hacer eso en todo el rango de frecuencia del osciloscopio, se agrega una pequeña capacitancia a cada resistencia. La capacitancia parásita nunca puede conocerse exactamente y habrá alguna tolerancia parcial de todos modos, por lo que uno de los capacitores se hace variable. Este es el ajuste de "compensación de la sonda". Este ajuste convierte una pequeña tapa de ajuste de unos pocos pF. Con una onda cuadrada, puede ver fácilmente el punto donde coinciden los divisores capacitivos y resistivos.

   Un inconveniente de este enfoque capacitivo y resistivo es que la impedancia del divisor disminuye a altas frecuencias. Si bien este enfoque es útil para dividir adecuadamente las frecuencias más altas, también las carga mucho más de lo que lo harían solo dos resistencias. No hay almuerzo gratis.

Espero que pueda ver algunos de los problemas y compensaciones ahora. Si las impedancias no funcionan, entonces debe considerar algún tipo de almacenamiento en búfer activo como el que Steven ya describió. Eso tiene su propio conjunto de problemas, como voltaje de compensación, respuesta de frecuencia y error de ganancia si la ganancia no es solo 1, sino que son para otro hilo.

Básicamente, lo que estás tratando de hacer se llama "acondicionamiento de señal". Generalmente es así:

Primero, amortigua la señal. A menos que su fuente de 0-10 V ya tenga una baja impedancia de salida, colóquela en un búfer con un amplificador operacional no inversor (consulte la respuesta de stevenvh). Asegúrese de que el amplificador operacional tenga suficiente ancho de banda. Por lo general, esto se describe como un "producto de ganancia de ancho de banda" ya que la especificación es la ganancia del circuito multiplicado por el ancho de banda. Este no es siempre el caso; Algunos amplificadores son de modo actual y tienen un gráfico que muestra la ganancia frente al ancho de banda. Su caso es simple: la ganancia es 1, por lo que si se especifica un producto de ancho de banda de ganancia, también es el ancho de banda con una ganancia de 1.

Luego, divida la salida por 4 usando un divisor de resistencia. Como está utilizando un ADC, debe tener cuidado con el alias de la señal (el ruido también alias, por lo que incluso si su señal está muy por debajo de la frecuencia de Nyquist del ADC, aún debe tener un filtro anti-aliasing). El filtro anti-aliasing más fácil es poner un condensador de la salida de su divisor a tierra y tratarlo como un filtro RC, donde la R es igual a los dos valores de resistencia del divisor en paralelo. La esquina debe estar más allá de la frecuencia más alta que desea pasar al ADC, y el filtro debe atenuarse en 6 dB por bit para cuando alcance la frecuencia de alias (que es la frecuencia de muestreo menos la frecuencia de la esquina del filtro).

Aquí es donde importa su tipo de ADC. En un ADC de aproximación sucesiva (SAR) normal, la frecuencia de muestreo es mucho, mucho menor que en un ADC sigma-delta, por lo que los 20 dB / década que obtiene con un filtro RC podrían no ser suficientes. Si ese es el caso, entonces necesita obtener un filtro multipolar más complejo allí. Esa es una gran discusión en sí misma, así que la saltaré por ahora; busque filtros de polo complejo y descargue una copia de FilterPro de TI si está interesado.

Una vez que se filtra su señal, es posible que deba volver a almacenarla en el búfer si la impedancia de salida del filtro no es mucho menor que la impedancia de entrada del ADC. Finalmente, si su entrada ADC tiene un desplazamiento de CC diferente de su entrada, necesitará un condensador de bloqueo de CC (es decir, en serie). Esto debe elegirse como si la impedancia de entrada del ADC es la resistencia en un filtro de paso alto RC; asegúrese de que la esquina del filtro esté por debajo de su frecuencia de entrada mínima.

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Alternativamente, puede proteger el divisor con un seguidor de voltaje, como Matt sugiere: