Làm cách nào để chuyển đổi tín hiệu tương tự 0 đến 10V thành 0 đến 2,5V cho đầu vào ADC?

Tôi có một tín hiệu tương tự nằm trong khoảng từ 0V đến 10V. Tôi muốn thu nhỏ tuyến tính xuống 0 đến 2,5V cho ADC của mình.

Tôi lo ngại rằng việc sử dụng bộ chia điện áp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Điều này có đúng không? Nếu nó không đúng, tôi nên sử dụng điện trở giá trị nào cho bộ chia điện áp?

Có, một bộ chia điện áp là tốt trong lý thuyết. Bao nhiêu nó ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu phần lớn phụ thuộc vào những gì bạn coi là tín hiệu chất lượng. Đây có phải là âm thanh HiFi, một luồng dữ liệu kỹ thuật số, âm thanh giọng nói, RF, một cái gì khác?

Có một số vấn đề với bộ chia điện áp điện trở bạn nên lưu ý:

1. Bộ chia điện áp sẽ tải tín hiệu nguồn. Bạn cần một bộ chia đặt ra 1/4 tín hiệu đầu vào. Bất kỳ bộ chia với điện trở trên 3x dưới cùng sẽ làm điều đó.

   

   Trong trường hợp này R1 = 3 * R2. Trở kháng nhìn vào dải phân cách từ nguồn sẽ là R1 + R2. Bạn phải đảm bảo mức này đủ cao để không tải tín hiệu nguồn để thay đổi các đặc tính của nó đến điểm bạn quan tâm. Ví dụ: nếu R1 = 30kΩ và R2 = 10kΩ, thì bộ chia sẽ tải nguồn với 40kΩ.

2. Xem xét trở kháng đầu ra. Đây là hầu hết những gì Steven đã nói về. Với nguồn điện áp hoàn hảo (trở kháng 0) điều khiển bộ chia, trở kháng đầu ra là R1 // R2. Với các giá trị mẫu ở trên, đó sẽ là 30kΩ // 10kΩ = 7.5kΩ. Như Steven đã đề cập, điều này cần được xem xét khi kết nối với A / D của vi điều khiển. Đây không phải là vấn đề tải đầu ra của bộ chia vì A / D cần một số trở kháng hữu hạn để sạc nắp giữ bên trong của nó trong thời gian hữu hạn. Ở trở kháng cao, dòng rò nhỏ của chân A / D nhân với trở kháng cũng tạo ra điện áp bù đủ để làm hỏng số đọc A / D. Do những vấn đề này, các nhà sản xuất vi điều khiển chỉ định trở kháng tối đa để điều khiển đầu vào A / D. Trong các PIC cũ có 8 hoặc 10 bit A / D, giá trị này thường là 10kΩ. Điều này ít hơn trong một số A / D mới hơn nhanh hơn hoặc ở độ phân giải cao hơn như 12 bit. Một số gia đình DSPIC chỉ cần vài 100 s trở xuống.

3. Phản hồi thường xuyên. Luôn luôn có một số điện dung đi lạc. Các dung lượng đi lạc khác nhau sẽ gây ra các bộ lọc thông thấp và cao. Kết quả cuối cùng là không thể đoán trước vì điện dung đi lạc là không thể đoán trước. Sử dụng lại ví dụ 30kΩ và 10kΩ, trở kháng đầu ra là 7,5kΩ. Ví dụ: nếu điều này được tải với 20pF, thì bạn sẽ có bộ lọc thông thấp với khoảng 1 MHz. Nếu tín hiệu là âm thanh, không có vấn đề. Nếu đó là một tín hiệu kỹ thuật số nhanh, đó có thể là một vấn đề nghiêm trọng.

   Một cách để giải quyết vấn đề này là thêm điện dung có chủ ý càng nhỏ càng tốt nhưng nhiều lần điện dung đi lạc dự kiến ​​để tổng điện dung trở nên có thể dự đoán được. Điện dung trên mỗi điện trở phải tỷ lệ nghịch với điện trở đó. Ví dụ, đây là một bộ chia điện áp được điều khiển độc đáo:

   

   Ở tần số thấp, các điện trở chiếm ưu thế và chia tín hiệu cho 4. Ở tần số cao, các tụ chiếm ưu thế và chia tín hiệu cho 4. Sự giao nhau trong đó các hành động điện trở và điện dung bằng nhau là 53 kHz trong ví dụ này.

   Nhân tiện, đây là cách phân chia thăm dò phạm vi hoạt động. Đầu dò "10 x" chia tín hiệu cho 10. Vì cần phải thực hiện điều đó trên toàn bộ dải tần của phạm vi, một điện dung nhỏ được thêm vào mỗi điện trở. Điện dung đi lạc không bao giờ có thể được biết chính xác và dù sao cũng sẽ có một số dung sai cho phép, do đó, một trong các tụ điện được tạo ra. Đây là những gì điều chỉnh "đầu dò". Điều chỉnh này biến một nắp trang trí nhỏ của một vài pF. Với một sóng vuông, bạn có thể dễ dàng nhìn thấy điểm mà các bộ chia điện dung và điện trở khớp với nhau.

   Một nhược điểm của phương pháp điện dung và điện trở này là trở kháng của dải phân cách đi xuống ở tần số cao. Mặc dù cách tiếp cận này hữu ích cho việc phân chia tần số cao hơn một cách hợp lý, nhưng nó cũng tải chúng nhiều hơn so với chỉ hai điện trở. Không có bữa trưa miễn phí đâu.

Hy vọng bạn có thể thấy một số vấn đề và sự đánh đổi ngay bây giờ. Nếu các trở kháng không hoạt động, thì bạn cần xem xét một số loại bộ đệm hoạt động như Steven đã mô tả. Đó là tập hợp các vấn đề của riêng nó, như điện áp bù, đáp ứng tần số và lỗi khuếch đại nếu mức tăng không chỉ là 1, mà là các vấn đề dành cho một luồng khác.

Về cơ bản, những gì bạn đang cố gắng làm được gọi là "điều hòa tín hiệu". Nó thường đi như thế này:

Đầu tiên, đệm tín hiệu. Trừ khi nguồn 0-10 V của bạn đã có trở kháng đầu ra thấp, hãy đệm nó với op amp không đảo ngược (xem câu trả lời của stevenvh). Hãy chắc chắn rằng op amp có đủ băng thông. Thông thường, điều này được mô tả như là một "sản phẩm băng thông khuếch đại" vì thông số kỹ thuật là mức tăng của mạch nhân với băng thông. Điều này không phải luôn luôn như vậy; một số bộ khuếch đại ở chế độ hiện tại và có biểu đồ hiển thị mức tăng so với băng thông. Trường hợp của bạn rất đơn giản: mức tăng là 1, vì vậy nếu một sản phẩm băng thông khuếch đại được chỉ định, thì đó cũng là băng thông ở mức tăng 1.

Tiếp theo, chia đầu ra xuống 4 bằng bộ chia điện trở. Vì bạn đang sử dụng ADC, bạn cần cẩn thận về khử răng cưa tín hiệu (nhiễu cũng là bí danh, vì vậy ngay cả khi tín hiệu của bạn ở dưới tần số ADC Nyquist, bạn vẫn nên có bộ lọc khử răng cưa). Bộ lọc khử răng cưa đơn giản nhất là đặt một tụ điện từ đầu ra của bộ chia của bạn xuống đất và coi nó như một bộ lọc RC, trong đó R bằng với hai giá trị điện trở của bộ chia song song. Góc phải vượt qua tần số cao nhất mà bạn muốn truyền tới ADC và bộ lọc sẽ giảm 6 dB mỗi bit khi thời gian đạt đến tần số răng cưa (là tốc độ mẫu trừ đi tần số góc của bộ lọc).

Đây là nơi loại ADC của bạn quan trọng. Trong một ADC xấp xỉ liên tiếp bình thường (SAR), tốc độ mẫu thấp hơn nhiều so với ADC sigma-delta, do đó, 20 dB / thập kỷ bạn có được với bộ lọc RC có thể là không đủ. Nếu đó là trường hợp, thì bạn cần phải có một bộ lọc đa cực phức tạp hơn trong đó. Bản thân đó là một cuộc thảo luận lớn, vì vậy tôi sẽ bỏ qua nó ngay bây giờ; tra cứu các bộ lọc cực phức tạp và tải xuống một bản sao FilterPro của TI nếu bạn quan tâm.

Khi tín hiệu của bạn được lọc, bạn có thể cần phải đệm lại nếu trở kháng đầu ra của bộ lọc không thấp hơn nhiều so với trở kháng đầu vào ADC. Cuối cùng, nếu đầu vào ADC của bạn có độ lệch DC khác với đầu vào của bạn, bạn sẽ cần một tụ điện chặn DC (tức là loạt). Điều này nên được chọn vì nếu trở kháng đầu vào của ADC là điện trở trong bộ lọc thông cao RC; đảm bảo góc bộ lọc nằm dưới tần số đầu vào tối thiểu của bạn.

$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\Omega$
$\Omega$$\Omega$.

Ngoài ra, bạn có thể đệm bộ chia bằng bộ theo dõi điện áp, như Matt gợi ý: