Como converter o sinal analógico de 0 a 10V em 0 a 2,5V para entrada ADC?

Eu tenho um sinal analógico que varia entre 0V e 10V. Quero reduzi-lo linearmente de 0 a 2,5V para o meu ADC.

Estou preocupado que o uso de um divisor de tensão resistiva afete a qualidade do sinal. Isso é verdade? Se não for verdade, qual valor do resistor devo usar para o divisor de tensão?

Sim, um divisor de tensão é bom em teoria. Quanto afeta a qualidade do sinal depende em grande parte do que você considera um sinal de qualidade. Esse áudio HiFi, um fluxo de dados digitais, áudio de voz, RF, é outra coisa?

Existem vários problemas com divisores de tensão resistivos dos quais você deve estar ciente:

1. O divisor de tensão carregará o sinal da fonte. Você precisa de um divisor que produz 1/4 do sinal de entrada. Qualquer divisor com o resistor superior 3x mais baixo fará isso.

   

   Nesse caso, R1 = 3 * R2. A impedância que olha para o divisor a partir da fonte será R1 + R2. Você deve certificar-se de que seja alto o suficiente para não carregar o sinal da fonte para alterar suas características ao ponto que você se importa. Por exemplo, se R1 = 30kΩ e R2 = 10kΩ, o divisor carregará a fonte com 40kΩ.

2. Considere a impedância de saída. Era disso que Steven estava falando. Com uma fonte de tensão perfeita (impedância 0) dirigindo o divisor, a impedância de saída é R1 // R2. Com os exemplos de valores acima, isso seria 30kΩ // 10kΩ = 7,5kΩ. Como Steven mencionou, isso precisa ser considerado ao se conectar a um microcontrolador A / D. Não é tanto uma questão de carregar a saída do divisor quanto o A / D precisar de alguma impedância finita para carregar sua tampa de retenção interna em tempo finito. Em alta impedância, a pouca corrente de vazamento do pino A / D vezes a impedância também produz tensão de compensação suficiente para corromper a leitura A / D. Devido a esses problemas, os fabricantes de microcontroladores especificam uma impedância máxima para acionar uma entrada A / D. Em PICs antigos com A / Ds de 8 ou 10 bits, isso geralmente era de 10kΩ. Isso é menor em alguns A / Ds mais novos, mais rápidos ou em resoluções mais altas, como 12 bits. Alguns membros da família dsPIC requerem apenas alguns 100 Ωs ou menos.

3. Resposta em frequência. Sempre há alguma capacitância perdida. As várias capacitâncias dispersas causarão filtros de baixa e alta passagem. O resultado final é imprevisível, pois a capacitância perdida é imprevisível. Usando o exemplo de 30kΩ e 10kΩ novamente, a impedância de saída é 7,5kΩ. Se isso fosse carregado com 20pF, por exemplo, você teria um filtro passa-baixo com rolagem de cerca de 1 MHz. Se o sinal for de áudio, não há problema. Se for um sinal digital rápido, isso pode ser um problema sério.

   Uma maneira de lidar com isso é adicionar a capacitância deliberada o menor possível, mas várias vezes a capacitância perdida esperada, para que a capacitância total se torne previsível. A capacitância em cada resistor deve ser inversamente proporcional a essa resistência. Por exemplo, aqui está um divisor de tensão bem balanceado:

   

   Em baixas frequências, os resistores dominam e dividem o sinal por 4. Nas altas frequências, os capacitores dominam e dividem o sinal por 4. O cruzamento em que as ações resistivas e capacitivas são aproximadamente iguais é de 53 kHz neste exemplo.

   A propósito, é assim que a divisão das sondas de escopo funciona. Uma sonda "10x" divide o sinal por 10. Como ele precisa fazer isso em toda a faixa de frequência do osciloscópio, um pouco de capacitância é adicionada a cada resistor. A capacitância perdida nunca pode ser exatamente conhecida e, de qualquer maneira, haverá alguma tolerância parcial; portanto, um dos capacitores é variável. É assim que é o ajuste da "compensação da sonda". Esse ajuste gera uma pequena tampa de compensação de alguns pF. Com uma onda quadrada, você pode ver facilmente o ponto em que os divisores capacitivos e resistivos correspondem.

   Uma desvantagem dessa abordagem capacitiva e resistiva é que a impedância do divisor diminui em altas frequências. Embora essa abordagem seja útil para dividir adequadamente as frequências mais altas, ela também as carrega muito mais do que apenas dois resistores. Nao tem almoço gratis.

Espero que você possa ver alguns dos problemas e vantagens agora. Se as impedâncias não derem certo, é preciso considerar algum tipo de buffer ativo, como Steven já descrito. Isso tem seu próprio conjunto de problemas, como tensão de offset, resposta de frequência e erro de ganho se o ganho não for apenas 1, mas esses são para outro encadeamento.

Basicamente, o que você está tentando fazer é chamado de "condicionamento de sinal". Geralmente é assim:

Primeiro, tampe o sinal. A menos que sua fonte de 0 a 10 V já tenha uma baixa impedância de saída, coloque-a em buffer com um amplificador operacional não inversor (consulte a resposta de stevenvh). Verifique se o amplificador operacional tem largura de banda suficiente. Normalmente, isso é descrito como um "produto de ganho de largura de banda", pois a especificação é o ganho do circuito multiplicado pela largura de banda. Nem sempre é esse o caso; alguns amplificadores são do modo atual e têm um gráfico mostrando ganho versus largura de banda. Seu caso é simples: o ganho é 1; portanto, se um produto de ganho de largura de banda for especificado, também será a largura de banda com ganho de 1.

Em seguida, divida a saída por 4 usando um divisor de resistor. Como você está usando um ADC, você precisa ter cuidado com o alias de sinal (também com ruído, por sinal), mesmo que seu sinal esteja bem abaixo da frequência do ADC Nyquist, você ainda deve ter um filtro de anti-alias. O filtro anti-aliasing mais fácil é colocar um capacitor da saída do divisor no terra e tratá-lo como um filtro RC, em que R é igual aos dois valores de resistor do divisor em paralelo. O canto deve ultrapassar a frequência mais alta que você deseja passar para o ADC e o filtro deve atenuar 6 dB por bit no momento em que atinge a frequência de aliasing (que é a taxa de amostragem menos a frequência do canto do filtro).

Aqui é onde o seu tipo de ADC é importante. Em um ADC de aproximação sucessiva normal (SAR), a taxa de amostragem é muito, muito menor do que em um ADC sigma-delta; portanto, os 20 dB / década que você obtém com um filtro RC podem não ser suficientes. Se for esse o caso, você precisará obter um filtro multipolar mais complexo. É uma discussão enorme por si só, então vou pular sobre isso por enquanto; procure filtros de pólos complexos e faça o download de uma cópia do FilterPro da TI, se estiver interessado.

Depois que seu sinal é filtrado, pode ser necessário armazená-lo novamente se a impedância de saída do filtro não for muito menor que a impedância de entrada ADC. Finalmente, se a sua entrada ADC tiver um deslocamento DC diferente da sua entrada, você precisará de um capacitor de bloqueio de corrente contínua (ou seja, em série). Isso deve ser escolhido como se a impedância de entrada do ADC fosse o resistor em um filtro passa-alto RC; verifique se o canto do filtro está abaixo da frequência mínima de entrada.

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Como alternativa, você pode armazenar em buffer o divisor com um seguidor de tensão, como Matt sugere: