¿Por qué la fuente de alta impedancia en la entrada ADC causa un error?

Un modelo simple para mostrar cómo se comporta un ADC es este:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Allí, tiene una fuente (\ $ V _ {\ text {Analog}} \ $) y su impedancia (\ $ R _ {\ text {Source}} \ $). Además del modelo interno para un ADC con un interruptor que está abierto y cerrado en cada período de muestreo, y la impedancia del ADC que es una combinación de \ $ R _ {\ text {ADC}} \ $, \ $ C _ {\ text { Mantener}} \ $ y la fuga actual.

El ADC también tiene un registro de aproximación sucesiva (SAR), que realiza una búsqueda binaria para asignar el valor de voltaje analógico a un número binario.

Vuelve a tu pregunta. Cuando se cierra el interruptor, el capacitor, \ $ C _ {\ text {Hold}} \ $, comienza a cargarse y el tiempo que tomará dependerá de las impedancias y el valor de la capacitancia.

Si descuidamos la fuga por un segundo y recurrimos a la conocida ecuación de carga de un condensador, obtendrá:

$$ V_ {C _ {\ text {HOLD}}} = V _ {\ text {Analog}} \ bigg (1-e ^ {- \ dfrac {t} {\ tau}} \ bigg) $$

Donde \ $ \ tau = (R _ {\ text {Analog}} + R _ {\ text {ADC}}) C _ {\ text {HOLD}} \ $

El tiempo que se tarda en cargar completamente el condensador es de aproximadamente 5 \ $ \ tau \ $. Con eso, el problema surge cuando el tiempo de muestreo no es suficiente para permitir que el condensador se cargue completamente.

Por ejemplo, diga sus muestras de ADC (\ $ T_s \ $) cada 1 ms, y considere que la impedancia de origen \ $ R _ {\ text {Analog}} \ $ es muy pequeña en comparación con \ $ R _ {\ text { ADC}} \ $. En ese caso, podría tener sentido aproximarse a \ $ \ tau \ $ para ser:

$$ \ tau \ approx (R _ {\ text {ADC}}) C _ {\ text {HOLD}} $$

Y solo para formar un número, por ejemplo, después de insertar los valores para \ $ R _ {\ text {ADC}} \ $ y \ $ C _ {\ text {HOLD}} \ $, \ $ \ tau \ $ turnos para ser:

$$ \ tau \ approx 0.15 \ text {ms} $$

Dado que el tiempo de muestreo es superior a 5 \ $ \ tau \ $, es suficiente tiempo para que el condensador se cargue completamente, y su ADC debe capturar el valor correcto. En el período de muestreo, el interruptor se abre.

Ahora, a medida que la impedancia de la fuente comienza a aumentar, también lo hace \ $ \ tau \ $. Diga su impedancia de origen, \ $ R _ {\ text {Analog}} \ $ aumenta para que ahora no pueda ignorarla y diga que esto lleva a \ $ \ tau = 1 \ text {ms} \ $. Bajo esta condición (\ $ \ tau = T_s \ $), cada vez que muestree, el valor del capacitor estará en aproximadamente el 63% del valor real de la fuente analógica. Eso llevaría a una medición incorrecta.

Se trata de darle suficiente tiempo para cargar el condensador de retención y la impedancia de la fuente, a medida que aumenta, evita que lo hagas.

Los sensores activos a veces dan lugar a errores de;
- EMI inducida en impedancia desequilibrada de 2 cables largos
- tensión diferencial con 1 lado como una tierra compartida desplazada por otras fuentes
- ruido parásito acoplado de forma desigual a la entrada diferencial o
- Falta de capacidad de supresión de ruido.
- falta de cable blindado de par trenzado

Cuando un ADC "barato" mide un voltaje de señal, se toma un impulso de corriente que puede producir un error. Esto sucede cuando la fuente de señal tiene una impedancia relativamente alta (generalmente varios kohm). Eche un vistazo a la hoja de datos del ADC que está utilizando y olvídese de las corrientes de fuga estáticas y concéntrese en lo que el DS le dice sobre el "aumento" actual que puede tomar al muestrear un voltaje de señal.

Poner un amplificador operacional entre la señal y el ADC resuelve este problema en gran medida porque un amplificador operacional puede presentar una impedancia de entrada que es de decenas de Mohm, mientras que puede conducir decenas de mA al ADC cuando muestrea así, la muestra y el condensador de retención (dentro del ADC) está completamente cargado al voltaje de la señal.