¿Cómo diseñaría un circuito recortador de protección para la entrada ADC?

Probablemente el más simple es un limitador Zener simple:

Estotambiénlimitarálosvoltajesnegativosaalrededorde-0.7V,aunqueestelímitenoestarábiencontrolado.

Editar:muestro100ohmiosenR1.Estoessólounvalorpredeterminado.Usteddeseaelvalormásaltoquepuedausar,dadoelanchodebandadelaseñalqueestámuestreandoylasnecesidadesactualesdeentradadesuADC.Cuantomayoresestaresistencia,másbajaeslacorrientequenecesitaelzenerparahundirseenunacondicióndesobretensión,porloqueelzenerpuedesermáspequeño(ydemenorcosto).EsposiblequedeseeagregaruncapacitorenparaleloconelzenerparaquesecombineconR1paraformarunfiltroanti-aliasingparasuADC.

Unaopcióndemenorcostositieneunrielde5Vquepuedeacumularsuficientecorriente,ynoleimportaqueelvalorlímitesealigeramentesuperiora5V:

Puede comprar los dos diodos en un paquete doble para este propósito exacto. Si desea que el valor límite sea más cercano a 5.2 V que a 5.7 V, use diodos schottky en lugar de diodos de silicio normales.

Editar 2

Como señala Steven, hay una compensación aquí. Un zener comenzará a conducir ligeramente a niveles de corriente bajos, y la fuente que está midiendo debe ser capaz de proporcionar suficiente corriente para conducir hasta 5 V para obtener el recorte que desee. Si absolutamente necesita poder llegar a 5.0 V antes de que comience el recorte, es posible que necesite usar, por ejemplo, un generador de 5.3 V en lugar de 5.0 V, y asegúrese de que su fuente pueda proporcionar al menos 10 uA. Entonces, por supuesto, no está garantizado que se corte a menos de 5,5 V.

Por otra parte, la conexión de diodo al riel positivo (mi segunda solución, ya sea utilizando diodos externos o los que probablemente están incorporados en su protocolo ADC) solo funcionará si hay cargas suficientes en el riel de 5 V para hundir la corriente proporcionada por la fuente de sobretensión. En un circuito de baja potencia, la sobretensión podría terminar conduciendo su suministro de 5 V fuera de la regulación y causar todo tipo de comportamiento inesperado en otras partes de su circuito.

Puede limitar la corriente que se debe hundir en la condición de sobretensión aumentando el valor R1. Pero su capacidad para hacerlo está limitada por el ancho de banda que desea medir en su señal de entrada y / o la corriente de entrada que necesita su ADC.

Tampoco es cierto que el voltaje Zener "varíe enormemente con la corriente". Sería más correcto decir que hay una pequeña corriente de fuga, del orden de 10-100 uA, por debajo del umbral Zener. Una vez que el zener entra en operación de avalancha, el voltaje puede ser muy estable durante décadas de corriente. Aquí está el típico I-V de una familia On Semi Zener:

Tenga en cuenta que los zeners de mayor valor tienen mejor estabilidad que los de bajo valor. Y, por supuesto, también hay variaciones térmicas (1 a 2 mV / K típicas de la Semilla de encendido a 5,1 V) para preocuparse si desea un voltaje de recorte muy estable.

Hubo un tiempo en que pensé que los diodos Zener eran geniales. Ahora sé que no lo son. De hecho, apestan. Este diodo tiene una tolerancia del 4% a 250 µA, por lo que puede perder los 200 mV superiores de su lectura , pero empeora: a 10 µA, el voltaje Zener es solo de 4,3 V, es un error del 14%. Si su entrada proviene de una fuente de impedancia relativamente alta, como un divisor de resistencia, puede perder los 700 mV superiores.

La mayoría de los microcontroladores tienen diodos de sujeción en sus pines de E / S:

Puedesusaresos.Sisuseñalprovienedeunasalidadebajaimpedancia,querráagregarunaresistenciaenserieparaprotegereldiododesujecióncontraunacorrientedemasiadoalta.50mAamenudoseespecificacomoClasificaciónMáximaAbsoluta.Siusaunaresistenciade15kΩ,limitarálacorrientea1mAparaunaentradade20V.Elfotónseñalaacertadamentequelacorrientenodebeserdemasiadoalta.Estosedebeaqueestáinyectandocorrientedondeelvoltajeprovienedeunreguladordevoltaje,yesosolopuedegenerarcorriente,nosumirla.Entonces,siunafuenteexternainyectacorriente,lacargadelreguladordebepoderdrenarlaatierra.

ComoPetPaulsenseñalaquehayundebatesobresiestaesunaprácticaaceptable.LahojadedatospuededecirquelaentradamáximaesVcc+0.3V,peropuedetambiéndecirunmáximode20mAparalosdiodosdesujeción(porejemplo, este controlador PIC . Esto puede significar que la caída de tensión del diodo de sujeción es inferior a 0,3 V, por ejemplo, si son de Schottky. De todos modos, siempre puede usar su propio diodo externo para sujetar a Vcc. Este diodo Schottky solo baja 100 mV a 10 mA, por lo que sujetará el entrada a un valor seguro. No olvide la resistencia de 15 kΩ para fuentes de baja impedancia de salida.

Si el voltaje de entrada no se vuelve negativo, no se requiere la pinza de tierra.