ADC 입력을 위해 0 ~ 10V 아날로그 신호를 0 ~ 2.5V로 변환하는 방법은 무엇입니까?

0V와 10V 사이의 아날로그 신호가 있습니다. ADC의 선형 스케일을 0 ~ 2.5V로 낮추고 싶습니다.

저항성 전압 분배기를 사용하면 신호 품질에 영향을 줄 수 있습니다. 이것이 사실입니까? 사실이 아닌 경우 전압 분배기에 어떤 값의 저항을 사용해야합니까?

예, 이론적으로 전압 분배기는 괜찮습니다. 신호 품질에 미치는 영향은 품질 신호를 고려하는 대상에 따라 크게 다릅니다. 이 HiFi 오디오, 디지털 데이터 스트림, 음성 오디오, RF 등이 있습니까?

저항 분압기에 몇 가지 문제가 있습니다.

1. 전압 분배기는 소스 신호를로드합니다. 입력 신호의 1/4을내는 디바이더가 필요합니다. 상단 저항이 3 배인 모든 분배기는 하단에 있습니다.

   

   이 경우 R1 = 3 * R2입니다. 소스에서 디바이더를 들여다 보는 임피던스는 R1 + R2입니다. 소스 신호를로드하여 특성을 관심 지점으로 변경하지 않을 정도로 충분히 높아야합니다. 예를 들어, R1 = 30kΩ 및 R2 = 10kΩ 인 경우 분배기는 40kΩ으로 소스를로드합니다.

2. 출력 임피던스를 고려하십시오. 이것이 스티븐이 말한 것의 대부분입니다. 분배기를 구동하는 완벽한 전압 소스 (0 임피던스)에서 출력 임피던스는 R1 // R2입니다. 위의 예제 값을 사용하면 30kΩ // 10kΩ = 7.5kΩ이됩니다. Steven이 언급했듯이 이것은 마이크로 컨트롤러 A / D에 연결할 때 고려해야합니다. A / D가 내부 홀딩 캡을 유한 시간 내에 충전하기 위해서는 유한 임피던스가 필요하기 때문에 디바이더 출력을로드하는 것만 큼 큰 문제는 아닙니다. 임피던스가 높으면 A / D 핀의 누설 전류가 임피던스보다 적으므로 A / D 판독 값이 손상 될 수있는 충분한 오프셋 전압이 생성됩니다. 이러한 문제로 인해 마이크로 컨트롤러 제조업체는 A / D 입력을 구동하기위한 최대 임피던스를 지정합니다. 8 또는 10 비트 A / D를 가진 구형 PIC에서는 일반적으로 10kΩ이었습니다. 이것은 더 새로운 A / D 또는 12 비트와 같은 더 높은 해상도에서는 더 적습니다. dsPIC 제품군 중 일부는 단지 100Ω 이하 만 필요합니다.

3. 주파수 응답. 항상 약간의 정전 용량이 있습니다. 다양한 부유 용량으로 인해 저역 통과 필터와 고역 통과 필터가 발생합니다. 부유 커패시턴스를 예측할 수 없기 때문에 최종 결과를 예측할 수 없습니다. 30kΩ 및 10kΩ 예를 다시 사용하면 출력 임피던스는 7.5kΩ입니다. 예를 들어 20pF로로드 된 경우 약 1MHz 롤오프가있는 저역 통과 필터가 있습니다. 신호가 오디오이면 아무런 문제가 없습니다. 빠른 디지털 신호 인 경우 심각한 문제 일 수 있습니다.

   이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 가능한 작은 크기로 예상되는 부유 용량을 몇 배로 추가하여 총 정전 용량을 예측할 수 있도록하는 것입니다. 각 저항에 대한 정전 용량은 해당 저항에 반비례해야합니다. 예를 들어, 다음은 훌륭하게 균형 잡힌 전압 분배기입니다.

   

   저주파에서 저항은 신호를 4로 지배하고 나눕니다. 고주파에서 커패시터는 신호를 4로 지배하고 나눕니다.이 예에서 저항 및 용량 성 동작이 거의 동일한 크로스 오버는 53kHz입니다.

   그건 그렇고, 스코프 프로브가 작동하는 방식입니다. "10x"프로브는 신호를 10으로 나눕니다. 스코프의 전체 주파수 범위에 걸쳐이를 수행해야하기 때문에 각 저항에 약간의 정전 용량이 추가됩니다. 표유 커패시턴스는 정확히 알려질 수 없으며 어쨌든 일부 공차가 있으므로 커패시터 중 하나가 가변적입니다. 이것이 "프로브 보정"조정입니다. 이 조정은 몇 pF의 작은 트림 캡이됩니다. 구형파가 들어가면 용량 성 분배기와 저항성 분배기가 일치하는 지점을 쉽게 볼 수 있습니다.

   이 용량 성 및 저항 방식의 한 가지 단점은 분배기의 임피던스가 고주파수에서 감소한다는 것입니다. 이 방법은 더 높은 주파수를 올바르게 나누는 데 유용하지만 두 개의 저항보다 훨씬 많은 부하를로드합니다. 무료 점심은 없습니다.

바라건대 지금 당신은 몇 가지 문제와 장단점을 볼 수 있습니다. 임피던스가 해결되지 않으면 Steven이 설명한 것과 같은 일종의 액티브 버퍼링을 고려해야합니다. 게인이 1이 아니라 다른 스레드에 대한 것이라면 오프셋 전압, 주파수 응답 및 게인 오류와 같은 자체 문제 세트가 있습니다.

기본적으로 "신호 컨디셔닝"이라고합니다. 일반적으로 다음과 같습니다.

먼저 신호를 버퍼링하십시오. 0-10 V 소스에 이미 낮은 출력 임피던스가없는 경우 비 반전 연산 증폭기로 버퍼링하십시오 (stevenvh의 답변 참조). 연산 증폭기의 대역폭이 충분한 지 확인하십시오. 스펙은 회로의 이득에 대역폭을 곱한 값이므로 일반적으로 "이득 대역폭 곱"이라고합니다. 항상 그런 것은 아닙니다. 일부 증폭기는 전류 모드이며 이득 대 대역폭을 보여주는 그래프가 있습니다. 귀하의 경우는 간단합니다. 게인은 1이므로 게인 대역폭 제품을 지정하면 1의 게인에서의 대역폭이기도합니다.

그런 다음 저항 분배기를 사용하여 출력을 4로 나눕니다. ADC를 사용하고 있으므로 신호 앨리어싱에주의해야합니다 (소음 또한 앨리어스이므로 신호가 ADC 나이키 스트 주파수보다 훨씬 낮더라도 앤티 앨리어싱 필터가 있어야 함). 가장 쉬운 앤티 앨리어싱 필터는 분배기의 출력에서 ​​접지로 커패시터를 놓고 RC 필터로 처리하는 것입니다. 여기서 R은 분배기의 두 저항 값과 병렬로 같습니다. 코너는 ADC에 전달하려는 최고 주파수를 지나야하며 앨리어싱 주파수 (샘플 속도에서 필터 코너 주파수를 뺀 값)에 도달 할 때까지 필터는 비트 당 6dB 씩 감쇠해야합니다.

ADC 유형이 중요한 곳입니다. 정상적인 연속 근사 ADC (SAR)에서는 샘플 속도가 시그마 델타 ADC보다 훨씬 낮기 때문에 RC 필터로 얻을 수있는 20dB / decade는 충분하지 않을 수 있습니다. 이 경우 더 복잡한 다중 극 필터를 가져와야합니다. 그것은 그 자체로 큰 토론이므로 지금은 건너 뛸 것입니다. 복잡한 극 필터를 찾고 관심이 있다면 TI의 FilterPro 사본을 다운로드하십시오.

신호가 필터링되면 필터의 출력 임피던스가 ADC 입력 임피던스보다 훨씬 낮지 않으면 다시 버퍼링해야 할 수도 있습니다. 마지막으로 ADC 입력에 입력과 다른 DC 오프셋이 있으면 DC 차단 (예 : 직렬) 커패시터가 필요합니다. ADC의 입력 임피던스가 RC 고역 통과 필터의 저항 인 것처럼 선택해야합니다. 필터 코너가 최소 입력 주파수 미만인지 확인하십시오.

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또는 Matt이 제안한 것처럼 전압 팔로워로 분배기를 버퍼링 할 수 있습니다.