ADC-Eingangsimpedanz bei MCUs

Was ist die Eingangsimpedanz eines typischen MCU-ADC? In diesem Fall arbeite ich mit einem PIC24FJ64GA004. Ich benötige keine Hochgeschwindigkeitsabtastung - maximal 100 Abtastungen pro Sekunde.

Ich möchte einen Widerstandsteiler mit einem 100k-Widerstand und einem 10k-Widerstand anschließen, damit die Impedanz höher als 1M ist, da sonst die Impedanz die Messwerte verzerrt.

Eingangsleckstrom

Um den Spannungsabfall Ihrer Widerstände vom Gate zu bestimmen, müssen Sie den Leckstrom aus dem Datenblatt verwenden. Microchip gibt auf seinen Datenblättern einen "Eingangsleckstrom" an. Das Datenblatt, das ich nachgeschlagen habe, gibt einen Eingangsableitstrom von 1 uA an. Dies könnte zu einer Spannung von 0,1 V oder 100 mV führen, was nur dem doppelten Wert von robert entspricht. Dies ist wahrscheinlich kein Problem für Ihr Signal.

Denken Sie jetzt daran, wenn Sie ein 30-V-Signal auf 2,7 V (30/11 V) herunterdividieren, werden die 100 mV dazu addiert, was zu einem Fehler von bis zu 3% bei Ihrem 30-V-Signal führt.

Wenn Sie eine Auflösung von 1 V benötigen, teilen Sie diese durch 11 und addieren Sie dann die 100 mV. Diese 100mV könnten größer sein als das 1V Signal.

Eingangskapazität

Robert hat Recht, es wird eine Kapazität geben, aber dies gibt wirklich die Zeit an, die benötigt wird, um die ADC-Messung durchzuführen. In Kombination mit dem von Ihnen gewählten Eingangswiderstand entsteht ein Tiefpassfilter. Wenn Sie Signale mit einer höheren Frequenz messen möchten, können Sie diese nicht erfassen.

Fehler reduzieren

Der einfachste Weg ist, entweder Ihren Widerstand gegen Ihren Teiler zu verringern oder Ihr Signal zu puffern. Wenn Sie das Signal puffern, ersetzen Sie den PIC-Leckstrom durch Ihren Operationsverstärker-Leckstrom, der sehr niedrig sein kann.

Diese 1uA ist der schlimmste Fall, es sei denn, es kostet Sie viel, geringfügige Änderungen am Design vorzunehmen, Ihr Design zu verbessern und zu testen, wie schlecht es für Sie ist.

Bitte lassen Sie mich wissen, ob ich etwas tun kann, um die Lesbarkeit zu verbessern.

MCU-ADC-Eingänge können je nachdem, ob die Sample-and-Hold-Kappe mit dem Pin verbunden ist oder nicht, eine variable Eingangsimpedanz aufweisen. Es kann sich lohnen, einen Operationsverstärker zum Puffern des Signals zu verwenden. Der Operationsverstärker hätte den zusätzlichen Vorteil, dass Sie Frequenzen über Nyquist herausfiltern können, was ebenfalls eine gute Praxis ist.

Ein noch nicht genannter Punkt ist die geschaltete Kapazität am Eingang. Viele ADCs verbinden einen Kondensator mit dem Eingang, während sie eine Messung durchführen, und trennen ihn später wieder. Der Anfangszustand dieser Kappe kann die zuletzt gemessene Spannung, VSS oder etwas Inkonsistentes sein. Für eine genaue Messung ist es erforderlich, dass sich der Eingang entweder beim Anschließen der Kapazität nicht bewegt oder dass er vor dem Trennen des Kondensators abprallt und sich erholt. In der Praxis bedeutet dies, dass entweder die Kapazität am Eingang über einem bestimmten Wert liegen muss oder dass die RC-Zeit, die aus der Eingangskapazität und der Quellenimpedanz gebildet wird, unter einem bestimmten Wert liegen muss.

Angenommen, die geschaltete Eingangskapazität beträgt beispielsweise 10 pF und die Erfassungszeit 10 us. Wenn die Eingangsimpedanz 100 K beträgt, es keine andere Eingangskapazität als die Kapazität des ADC gibt und die Differenz zwischen der Startkappenspannung und der zu messenden Spannung R beträgt, beträgt die RC-Zeitkonstante 1 us (10 pF * 100 K). Die Erfassungszeit beträgt also 10 RC-Zeitkonstanten, und der Fehler ist R / exp (10) (ungefähr R / 22.000). Wenn R die Spannung im vollen Bereich ist, ist der Fehler ein Problem für 16-Bit-Messungen, jedoch nicht für 12-Bit-Messungen.

Angenommen, auf der Platine befanden sich 10 pF Kapazität zusätzlich zu den 10 pF geschalteter Kapazität. In diesem Fall würde der anfängliche Fehler halbiert, die RC-Zeitkonstante jedoch verdoppelt. Folglich wäre der Fehler R / 2 / exp (5) (ungefähr R / 300). Kaum gut genug für 8-Bit-Messungen.

Erhöhen Sie die Kapazität ein wenig mehr und es wird noch schlimmer. Schieben Sie die Kapazität auf 90pF und der Fehler wäre R / 10 / exp (1) (ungefähr R / 27). Wenn andererseits die Obergrenze viel größer wird, sinkt der Fehler wieder. Bei einer Kapazität von 1000pF wäre der Fehler ungefähr R / 110; bei 10.000 pF (0.01 uF) wäre es ungefähr R / 1000. Bei 0,1 uF wären es etwa R / 10.000, und bei 1 uF wären es etwa R / 100.000.

Schauen Sie sich Seite 198 des Datenblattes an . Es gibt 6-11pF am Stift und 4,4pF an der Haltekappe.

Zusätzlich zu den guten Punkten, die Supercat in seinem Beitrag angesprochen hat, gibt es eine weitere Feinheit zu beachten, wenn Sie einen ungepufferten Spannungsteiler mit einem externen Kondensator verwenden.

Die Ladungsübertragung, die jedes Mal erfolgt, wenn Sie eine Sequenz von ADC-Messwerten durchlaufen, wird, multipliziert mit einer Sequenzwiederholungsrate, zu einer aktuellen . Der DC-Mittelwert dieses Stroms ist Csamp * deltaV * f, wobei Csamp die Abtastkapazität (nicht die externe Kapazität!), DeltaV die Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Eingangskanälen und f die Sequenzwiederholfrequenz ist (wie oft Sie durchlaufen) 1 vollständige Sequenz von Proben).

Wenn Sie einen externen Kondensator haben, um die Ladungstransfereffekte zu reduzieren und eine lange Abtastzeit zu vermeiden, hat dies den negativen Effekt, dass dieser Eingangsstrom, der zum Laden des Abtastkondensators erforderlich ist, tiefpassgefiltert wird, was als Eingangsspannung erscheint -abhängiger Leckstrom, der eine Offset-Spannung über Ihrer Quellenimpedanz verursacht.

Nur für einige Beispielnummern: Ihr Spannungsteiler (100K || 10K) ist ungefähr 9K, und wenn DeltaV zwischen Kanälen = 3V, Csamp = 10pF und f = 10kHz ist, führt dies zu einem Spannungsfehler von 2,7 mV oder etwas weniger als 0,1% deltaV. Nicht viel, aber genug, um sich dessen bewusst zu sein. Sie sollten kein 1M || verwenden 100K Spannungsteiler mit 10kHz Sequenzwiederholrate - das ist natürlich ziemlich schnell und für langsamere Wiederholraten müssen Sie sich nicht so viele Sorgen machen.

Ich habe über dieses und andere ADC-Fahrprobleme in einem Beitrag in meinem Blog geschrieben .