Comment convertir un signal analogique de 0 à 10 V en 0 à 2,5 V pour l'entrée ADC?

J'ai un signal analogique qui se situe entre 0V et 10V. Je veux la réduire linéairement de 0 à 2,5 V pour mon ADC.

Je crains que l'utilisation d'un diviseur de tension résistif n'affecte la qualité du signal. Est-ce vrai? Si ce n'est pas vrai, quelle résistance de valeur dois-je utiliser pour le diviseur de tension?

Oui, un diviseur de tension est très bien en théorie. La mesure dans laquelle il affecte la qualité du signal dépend en grande partie de ce que vous considérez comme un signal de qualité. S'agit-il d'audio HiFi, d'un flux de données numériques, d'audio vocal, de RF, d'autre chose?

Les diviseurs de tension résistifs présentent plusieurs problèmes:

1. Le diviseur de tension charge le signal source. Vous avez besoin d'un diviseur qui émet 1/4 du signal d'entrée. Tout diviseur avec la résistance supérieure 3x inférieure fera cela.

   

   Dans ce cas, R1 = 3 * R2. L'impédance regardant dans le diviseur depuis la source sera R1 + R2. Vous devez vous assurer qu'il est suffisamment élevé pour ne pas charger le signal source pour modifier ses caractéristiques au point qui vous intéresse. Par exemple, si R1 = 30kΩ et R2 = 10kΩ, alors le diviseur chargera la source avec 40kΩ.

2. Considérez l'impédance de sortie. C'est l'essentiel de ce dont Steven parlait. Avec une source de tension parfaite (0 impédance) entraînant le diviseur, l'impédance de sortie est R1 // R2. Avec les valeurs d'exemple ci-dessus, ce serait 30kΩ // 10kΩ = 7,5kΩ. Comme Steven l'a mentionné, cela doit être pris en compte lors de la connexion à un microcontrôleur A / D. Ce n'est pas autant une question de chargement de la sortie du diviseur que le fait que l'A / D a besoin d'une impédance finie pour charger son capuchon de maintien interne en temps fini. À haute impédance, le faible courant de fuite de la broche A / N multiplié par l'impédance produit également une tension de décalage suffisante pour corrompre la lecture A / N. En raison de ces problèmes, les fabricants de microcontrôleurs spécifient une impédance maximale pour piloter une entrée A / N. Dans les anciens PIC avec A / D 8 ou 10 bits, c'était généralement 10kΩ. C'est moins dans certains A / D plus récents plus rapides ou à une résolution plus élevée comme 12 bits. Certaines familles dsPIC ne nécessitent que quelques 100 Ω ou moins.

3. Fréquence de réponse. Il y a toujours une certaine capacité parasite. Les diverses capacités parasites provoqueront des filtres passe-bas et passe-haut. Le résultat final est imprévisible car la capacité parasite est imprévisible. En utilisant à nouveau l'exemple de 30kΩ et 10kΩ, l'impédance de sortie est de 7,5kΩ. Si celui-ci était chargé avec 20pF, par exemple, alors vous auriez un filtre passe-bas avec une atténuation d'environ 1 MHz. Si le signal est audio, pas de problème. S'il s'agit d'un signal numérique rapide, cela pourrait être un problème grave.

   Une façon de résoudre ce problème consiste à ajouter une capacité délibérée aussi petite que possible mais plusieurs fois la capacité parasite attendue afin que la capacité totale devienne prévisible. La capacité à travers chaque résistance doit être inversement proportionnelle à cette résistance. Par exemple, voici un diviseur de tension bien équilibré:

   

   Aux basses fréquences, les résistances dominent et divisent le signal par 4. Aux hautes fréquences, les condensateurs dominent et divisent le signal par 4. Le croisement où les actions résistives et capacitives sont à peu près égales est de 53 kHz dans cet exemple.

   Au fait, c'est ainsi que fonctionnent les sondes de division. Une sonde "10x" divise le signal par 10. Puisqu'elle doit le faire sur toute la plage de fréquences de l'oscilloscope, une petite capacité est ajoutée à chaque résistance. La capacité parasite ne peut jamais être connue exactement et il y aura de toute façon une certaine tolérance de partie, donc l'un des condensateurs est rendu variable. C'est ce qu'est le réglage de "compensation de sonde". Ce réglage transforme une petite garniture de quelques pF. Avec une onde carrée, vous pouvez voir facilement le point où les diviseurs capacitifs et résistifs correspondent.

   Un inconvénient de cette approche capacitive et résistive est que l'impédance du diviseur diminue aux hautes fréquences. Bien que cette approche soit utile pour diviser correctement les fréquences plus élevées, elle les charge également beaucoup plus que ne le feraient deux résistances. Il n'y a pas de repas gratuit.

J'espère que vous pouvez voir certains des problèmes et des compromis maintenant. Si les impédances ne fonctionnent pas, vous devez envisager une sorte de tampon actif comme Steven l'a déjà décrit. Cela a son propre ensemble de problèmes, comme la tension de décalage, la réponse en fréquence et l'erreur de gain si le gain n'est pas seulement 1, mais ceux-ci concernent un autre thread.

Fondamentalement, ce que vous essayez de faire est appelé "conditionnement du signal". Cela se passe généralement comme ceci:

Tout d'abord, mettez le signal en mémoire tampon. Sauf si votre source 0-10 V a déjà une faible impédance de sortie, mettez-la en mémoire tampon avec un ampli op non inverseur (voir la réponse de Stevenevh). Assurez-vous que l'ampli op dispose d'une bande passante suffisante. Habituellement, cela est décrit comme un "produit de gain de bande passante" car la spécification est le gain du circuit multiplié par la bande passante. Ce n'est pas toujours le cas; certains amplificateurs sont en mode courant et ont un graphique montrant le gain en fonction de la bande passante. Votre cas est simple: le gain est 1, donc si un produit gain-bande passante est spécifié, c'est aussi la bande passante avec un gain de 1.

Ensuite, divisez la sortie par 4 à l'aide d'un diviseur à résistance. Étant donné que vous utilisez un ADC, vous devez faire attention au crénelage du signal (le bruit aussi les pseudonymes, donc même si votre signal est bien en dessous de la fréquence ADC Nyquist, vous devriez toujours avoir un filtre anti-crénelage). Le filtre anti-crénelage le plus simple consiste à simplement mettre un condensateur de la sortie de votre diviseur à la masse et à le traiter comme un filtre RC, où le R est égal aux deux valeurs de résistance du diviseur en parallèle. Le coin doit dépasser la fréquence la plus élevée que vous souhaitez transmettre à l'ADC, et le filtre doit s'atténuer de 6 dB par bit au moment où il atteint la fréquence de repliement (qui est la fréquence d'échantillonnage moins la fréquence du coin du filtre).

Voici où votre type d'ADC est important. Dans un ADC (SAR) d'approximation successive normal, la fréquence d'échantillonnage est beaucoup, beaucoup plus faible que dans un ADC sigma-delta, donc les 20 dB / décennie que vous obtenez avec un filtre RC peuvent ne pas être suffisants. Si tel est le cas, vous devez y installer un filtre multipolaire plus complexe. C'est une énorme discussion en soi, donc je vais la sauter pour l'instant; recherchez des filtres à pôles complexes et téléchargez une copie de FilterPro de TI si vous êtes intéressé.

Une fois votre signal filtré, vous devrez peut-être le tamponner à nouveau si l'impédance de sortie du filtre n'est pas beaucoup plus faible que l'impédance d'entrée ADC. Enfin, si votre entrée ADC a un décalage CC différent de votre entrée, vous aurez besoin d'un condensateur de blocage CC (c.-à-d. Série). Cela doit être choisi comme si l'impédance d'entrée de l'ADC est la résistance dans un filtre passe-haut RC; assurez-vous que le coin du filtre est inférieur à votre fréquence d'entrée minimale.

Vous voulez diviser le signal par un facteur 4, ce qui est facile avec un diviseur à résistance. La résistance à l'entrée doit être 3 fois supérieure à la masse. La valeur exacte dépend de l'impédance d'entrée de l'ADC. Ce n'est généralement pas très élevé, donc l'impédance d'entrée peut déformer le diviseur. Disons que vous choisissez 10k et 3,3k pour les résistances. Cela vous donnera une sortie de 2,5 V pour une entrée de 10 V. Agréable. Mais supposons que l'impédance d'entrée de l'ADC soit également 3,3 k . Ceci est parallèle à la résistance 3,3k de votre diviseur, résultant en 1,65k , de sorte que vous divisez par 7 au lieu de 4. Vous devrez donc augmenter la 3,3kΩ Ω Ω Ω Ω $\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$
$\Omega$de sorte que la résistance combinée avec l'impédance d'entrée de l'ADC sera de 3,3 k . $\Omega$

Alternativement, vous pouvez tamponner le diviseur avec un suiveur de tension, comme Matt le suggère: