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

Sí, un divisor de voltaje está bien en teoría. En qué medida afecta la calidad de la señal depende en gran medida de lo que usted considera una señal de calidad. ¿Es este audio HiFi, un flujo de datos digital, audio de voz, RF, algo más?

Hay varios problemas con los divisores de tensión resistiva que debe tener en cuenta:

1. El divisor de voltaje cargará la señal de fuente. Necesita un divisor que emita 1/4 de la señal de entrada. Cualquier divisor con la resistencia superior 3x la parte inferior hará eso.

   

   EnestecasoR1=3*R2.LaimpedanciaquemiraeldivisordesdelafuenteseráR1+R2.Debeasegurarsedequeestosealosuficientementealtocomoparanocargarlaseñaldeorigenparacambiarsuscaracterísticasalpuntoqueleinteresa.Porejemplo,siR1=30kΩyR2=10kΩ,entonceseldivisorcargarálafuentecon40kΩ.

2. Considerelaimpedanciadesalida.EstoesmásdeloqueStevenestabahablando.Conunafuentedevoltajeperfecta(impedancia0)quecontrolaeldivisor,laimpedanciadesalidaesR1//R2.Conlosvaloresdeejemploanteriores,esosería30kΩ//10kΩ=7.5kΩ.ComolomencionóSteven,estodebetenerseencuentaalconectarseaunmicrocontroladorA/D.NosetratatantodecargarlasalidadeldivisorcomoqueelA/Dnecesitaunaimpedanciafinitaparacargarsulímitederetencióninternoenuntiempofinito.Aaltaimpedancia,lapocacorrientedefugadelpinA/DmultiplicadoporlaimpedanciatambiénproducesuficientevoltajedecompensaciónparacorromperlalecturaA/D.Debidoaestosproblemas,losfabricantesdemicrocontroladoresespecificanunaimpedanciamáximaparaconducirunaentradaA/D.EnlosPICantiguoscon8o10bitsA/D,estoerageneralmentede10kΩ.EstoesmenosenalgunosA/Dmásrápidosoenunaresoluciónmásaltacomo12bits.AlgunosdelosmiembrosdelafamiliadsPICrequierensolounospocos100orsomenos.

3. Respuestadefrecuencia.Siemprehayalgunacapacitanciaperdida.Lasdiversascapacitanciasparásitascausaránfiltrosdepasoaltoybajo.Elresultadofinalesimpredecibleyaquelacapacitanciaparásitaesimpredecible.Usandonuevamenteelejemplode30kΩy10kΩ,laimpedanciadesalidaes7.5kΩ.Siestoestuvieracargadocon20pF,porejemplo,entoncestendríaunfiltrodepasobajoconunacaídadeaproximadamente1MHz.Silaseñalesdeaudio,nohayproblema.Siesunaseñaldigitalrápida,podríaserunproblemaserio.

   Unaformadelidiarconestoesagregarunacapacitanciadeliberadalomáspequeñaposible,perovariasveceslacapacitanciaparásitaesperadaparaquelacapacitanciatotalseapredecible.Lacapacitanciaatravésdecadaresistenciadebeserinversamenteproporcionalaesaresistencia.Porejemplo,aquíhayundivisordevoltajemuyequilibrado:

   En las frecuencias bajas, los resistores dominan y dividen la señal entre 4. En las frecuencias altas, los condensadores dominan y dividen la señal entre 4. El cruce donde las acciones resistivas y capacitivas son aproximadamente iguales es de 53 kHz en este ejemplo.

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

   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 correctamente las frecuencias más altas, también las carga mucho más de lo que lo harían dos resistencias. No hay almuerzo gratis.

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

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

Primero, búfer la señal. A menos que su fuente de 0-10 V ya tenga una baja impedancia de salida, búferla con un amplificador operacional no inversor (consulte la respuesta de stevenvh). Asegúrate de que el amplificador operacional tenga ancho de banda de entrada. Generalmente esto se describe como un "producto de ancho de banda de ganancia" ya que la especificación es la ganancia del circuito por el ancho de banda. Esto no siempre es el caso; algunos amplificadores son de modo actual y tienen un gráfico que muestra la ganancia en comparación con el 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. Dado que está utilizando un ADC, debe tener cuidado con el alias de la señal (el ruido también es alias, por lo que incluso si su señal está muy por debajo de la frecuencia de Nyquist del ADC, debería tener un filtro anti-aliasing). El filtro anti-aliasing más fácil es simplemente poner un condensador de la salida de su divisor a tierra y tratarlo como un filtro RC, donde R es igual a los dos valores de resistencia del divisor en paralelo. La esquina debe pasar la frecuencia más alta que quiera pasar al ADC, y el filtro debe atenuarse en 6 dB por bit en el momento en que alcance la frecuencia de aliasing (que es la frecuencia de muestreo menos la frecuencia de la esquina del filtro).

Aquí es donde importa tu tipo de ADC. En un ADC (SAR) de aproximación sucesiva 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 necesitas un filtro de polo múltiple más complejo allí. Esa es una gran discusión en sí misma, así que me la saltaré por ahora; busque filtros de polos complejos y descargue una copia de FilterPro de TI si está interesado.

Una vez que se filtra su señal, es posible que deba almacenarla nuevamente si la impedancia de salida del filtro no es mucho menor que la impedancia de entrada ADC. Finalmente, si su entrada ADC tiene un desplazamiento de CC diferente de su entrada, necesitará un capacitor de bloqueo de CC (es decir, una serie). Esto se debe elegir como si la impedancia de entrada del ADC fuera 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.

Desea dividir la señal por un factor 4, lo cual es fácil con un divisor de resistencia. La resistencia en la entrada debe ser 3 veces mayor que la conexión a tierra. El valor exacto depende de la impedancia de entrada del ADC. Esto generalmente no es muy alto, por lo que la impedancia de entrada puede distorsionar el divisor. Digamos que eliges 10k \ $ \ Omega \ $ y 3.3k \ $ \ Omega \ $ para las resistencias. Esto le dará 2.5V para entrada de 10V. Bonito. Pero suponga que la impedancia de entrada del ADC también es 3.3k \ $ \ Omega \ $. Esto es paralelo al resistor 3.3k \ $ \ Omega \ $ de su divisor, lo que resulta en 1.65k \ $ \ Omega \ $, de modo que divida entre 7 en lugar de 4.
Así que tendrá que aumentar los 3.3k \ $ \ Omega \ $ para que la resistencia combinada con la impedancia de entrada del ADC sea 3.3k \ $ \ Omega \ $.

Alternativamente, puedes amortiguar el divisor con un seguidor de voltaje, como sugiere Matt: