Erforderliche Ausgangsimpedanz für ADC-Eingang?

Falls Sie sich fragen, wie der Eingangswiderstand mit 100 MΩ angegeben ist, die empfohlene Impedanz zum Ansteuern des Eingangs jedoch 10 kΩ beträgt: Das folgende Diagramm zeigt den Eingang zum ATmega328P A/D:

Wie KyranF beschrieben hat, besteht die Aufgabe Ihrer externen Schaltung darin, sicherzustellen, dass der Abtastkondensator C _{S / H} innerhalb der Abtastzeit auf eine Spannung aufgeladen wird, die innerhalb eines bestimmten Prozentsatzes der Eingangsspannung liegt. Der Ladevorgang wird durch den Widerstand Ihrer Spannungsquelle und durch den Widerstand der Schaltung zwischen dem ADCn-Pin und dem Abtastkondensator verlangsamt, hier als "1..100 kΩ" dargestellt.

(Dass "1..100 kΩ" ein riesiger Bereich ist, und es würde mich interessieren, wie der Bereich in der Praxis tatsächlich ist.)

In dem Diagramm nicht gezeigt sind zusätzliche kleine Kapazitäten, die dem Multiplexer zugeordnet sind. Und R _AIN wird auch weggelassen, da es im Vergleich zu I _IH und I _IL (max. 1 μA) unbedeutend ist.

Die Empfehlung, dass Ihre Spannungsquelle weniger als 10 kΩ beträgt, besagt im Wesentlichen, dass wir nicht möchten, dass der Quellenwiderstand das Laden von C _SH (und anderen Kapazitäten) im Vergleich zum bereits vorhandenen Widerstand und relativ zur Abtastzeit erheblich verlangsamt . (Die "1..100 kΩ" unterstützen dies jedoch nicht sehr streng.)

Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, ist der angebliche Eingangswiderstand von "100 MΩ" von ADCn-Pins nicht die ganze Wahrheit. R _AIN ist parallel zu I _IH und I _IL , die, wenn ausgewählt, auch parallel zu der Last "1..100 kΩ in Reihe mit 14 pF" sind.

In dem Sinne, dass die 100 MΩ || Ich _IH || I _IL stellt die Gesamtheit der DC -Eigenschaften dar, es ist legitim, aber es ist nicht der relevante Teil der Last für unsere Konstruktionszwecke. Wir müssen so entwerfen, dass der Wechselstromteil "1..100 kΩ in Reihe mit 14 pF" der Last getrieben wird, was laut Atmel am besten mit einem 10-kΩ-Quellwiderstand erfolgt.

(Beachten Sie, dass der Begriff „Impedanz“ in Diskussionen implizieren kann oder nicht, dass nicht resistive AC-Eigenschaften erwartet werden, und manchmal verwendet wird, wenn eigentlich „Widerstand“ gemeint ist.)

[Bearbeiten - das stellt sich als ziemlich interessant heraus...]

Hinzufügen einiger Ballpark-Sample- und Hold-Einschwingzeiten:

Bei R = 100 kΩ und C = 14 pF beträgt die RC-Zeitkonstante (TC) 1,4 μsec.

Für ATMega beträgt die S/H-Zeit 1,5 Zyklen des ADC-Takts. Für eine mittlere ADC-Rate von 100 kHz bedeutet dies eine S/H-Zeit von 15 μs. Das sind also etwas mehr als 10 TC.

Die Spannung an einem Kondensator pendelt sich innerhalb einer Zeitkonstante auf 37 % ihres Endwerts ein, 5 % bei 3 TC, 1 % bei 5 TC und 0,1 % bei 7 TC (entspricht +/- 1 Bit einer 10-Bit-Auflösung). .

Sie können sehen, dass das Verdoppeln des Eingangs R auf 200 kΩ oder das Verdoppeln der A/D-Taktrate die Auflösung beeinträchtigt. Aber eine Änderung des Eingangs R von 10 kΩ auf 1 kΩ bringt uns nicht viel, obwohl es aus externen Gründen, wie einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber verrauschten Nachbarsignalen, von Vorteil sein könnte.

Ich hoffe, das hilft.

Wie finden Sie die ideale Ausgangsimpedanz für die Arbeit mit dem ADC heraus?

Durch Lesen des Datenblatts. Sie haben sogar den Abschnitt zitiert, der Ihnen diese Antwort auf einem Silbertablett gibt: Der ADC ist für analoge Signale mit einer Ausgangsimpedanz von ungefähr 10 kOhm oder weniger optimiert.

Die Antwort ist also, ihm ein Signal mit einer Impedanz von 10 kΩ oder weniger zuzuführen.

Der interne Abtastkondensator eines ADC-Peripheriegeräts im ATmega328P Ihres Arduino Uno muss aufgeladen werden, damit Sie ihn richtig abtasten können? Nun, in diesem Fall wurde der Innenwiderstand (Eingangsimpedanz) mit 100 MΩ angegeben. Der Kondensator muss von der analogen Quelle mit <= 10 kΩ aufgeladen werden, damit er für die Abtastung ausreichend aufgeladen ist. Wenn Sie den Kondensator zu langsam aufladen, erhalten Sie Skalenfehler/falsche Messwerte.

Es ist möglich, dass Sie, wenn Sie einen schrecklich langsamen / schwachen analogen Eingang haben, einen Spannungspuffer-Operationsverstärker auf Einheitsverstärkung setzen sollten - und einen mit extrem niedriger Offset-Spannung / Vorspannungsstrom und ausreichend hoher Bandbreite / Anstiegsrate finden sollten (also nicht um Ihr Signal nicht so gut wie möglich zu beeinflussen), mit einem Ausgangswiderstand von 5-10 kΩ, um Ihre ADC-Eingänge schnell genug zu treiben.

Jeder Mikrocontroller, der über ein internes ADC-Peripheriegerät verfügt, und die vielen dedizierten ADC-ICs sind unterschiedlich und erfordern alle besondere Aufmerksamkeit für solche Dinge. Daher ist es gut, dass Sie darüber gelesen und Fragen dazu gestellt haben.

Die ADC-Eingänge sind kapazitiv. Wie Sie wissen, ist ein Kondensator grundsätzlich ein offener Stromkreis, daher ist der Eingangswiderstand der Widerstand (unter anderem) über dem Isolator des Kondensators. Es sollte wie erwartet hoch sein :)

Und deshalb ist der Gleichstromwiderstand nicht von großem Nutzen, da sich das Verhalten des Eingangs mit der Zeit ändert: Der Kondensator wird vom Eingang getrennt und dann wieder verbunden, und der Eingang muss genügend Strom liefern, um den Kondensator in dem im angegebenen Zeitfenster aufzuladen Datenblatt.

Im diskreten ADC-Datenblatt würden Sie also nach der äquivalenten Eingangsschaltung suchen, um die Abtastkapazität zu bestimmen, und nach der ADC-Timing-Spezifikation, um die Dauer der Abtastphase zu bestimmen. Die Ausgangsimpedanz Ihrer Schaltung sollte diesen Kondensator innerhalb der Abtastphase auf eine ausreichend genaue Spannung treiben, wenn der Kondensator an Ihren Ausgang angeschlossen ist. Die Anzahl der RC-Zeitkonstanten, wobei R Ihr Ausgangswiderstand und C die Abtastkapazität ist, die in die Abtastphase passen sollte, hängt linear von der angestrebten Genauigkeit ab, die in einer logarithmischen Skala ausgedrückt wird (z. B. Anzahl der Genauigkeitsbits).

Wenn Iih und Iil bei 1uA maximal sind, kann die 10K-Quelle im schlimmsten Fall einen 10-mV-Fehler verursachen. Wenn Sie das interne Varef verwenden, ist dies etwa 10 lsb wert, was eine Menge ist. Sie können einen Shunt-Kondensator hinzufügen, z. B. 0,1 uF zur Masse, wenn Ihre Signalbandbreite sehr klein ist, z. B. beim Messen von Gleichstrompegeln, aber wenn Ihr Quellenwiderstand hoch ist, benötigen Sie einen Puffer, um einen niedrigeren Quellenwiderstand bereitzustellen.