Как бы я спроектировал схему защитного ограничителя для входа АЦП?
Ответы:
Вероятно, самым простым является простой ограничитель по Зенеру:
Это также ограничит отрицательные напряжения примерно до -0,7 В, хотя этот предел не будет хорошо контролироваться.
Изменить: я показываю 100 Ом на R1. Это просто значение по умолчанию. Вы хотите получить как можно большее значение, учитывая ширину полосы сигнала, который вы выбираете, и потребности входного тока вашего АЦП. Чем выше это сопротивление, тем ниже ток, который необходим стабилитрону при пониженном напряжении, поэтому меньшим (и более дешевым) стабилитрон может быть. Возможно, вы захотите добавить конденсатор параллельно с стабилитроном, чтобы он в сочетании с R1 сформировал фильтр сглаживания для вашего АЦП.
Более дешевый вариант, если у вас есть шина 5 В, которая может потреблять достаточный ток, и вы не возражаете против того, чтобы предельное значение было немного выше 5 В:
Вы можете купить два диода в двойной упаковке именно для этой цели. Если вы хотите, чтобы предельное значение было ближе 5,2 В, чем 5,7 В, используйте диоды Шоттки вместо обычных кремниевых диодов.
Редактировать 2
Как указывает Стивен, здесь есть компромисс. Стабилитрон начинает слабо проводить при низких уровнях тока, и источник, который вы измеряете, должен быть в состоянии обеспечить достаточный ток, чтобы подвести его до 5 В, чтобы получить необходимое ограничение. Если вам абсолютно необходимо иметь возможность подняться до 5,0 В до начала отсечения, вам может потребоваться использовать, скажем, 5,3 В стабилитрона вместо 5,0 В, и убедитесь, что ваш источник может обеспечить не менее 10 мкА. Тогда, конечно же, вам не гарантировано ограничение ниже 5,5 В.
С другой стороны, подключение диода к положительной шине (мое второе решение, будь то использование внешних диодов или тех, которые, вероятно, встроены в ваш АЦП), будет работать, только если на шине 5 В достаточно нагрузок, чтобы поглотить ток, обеспечиваемый источником перенапряжения. В цепи с низким энергопотреблением, перенапряжение может привести к тому, что ваш источник питания 5 В выйдет из-под контроля и может вызвать все виды неожиданного поведения в других частях вашей цепи.
Вы можете ограничить ток, который необходимо утопить в состоянии перенапряжения, увеличив значение R1. Но ваша способность сделать это ограничена пропускной способностью, которую вы хотите измерить во входном сигнале, и / или входным током, необходимым для вашего АЦП.
Неверно и то, что напряжение стабилитрона «сильно зависит от тока». Правильнее будет сказать, что есть небольшой ток утечки, порядка 10-100 мкА, ниже порога стабилитрона. Как только стабилитрон переходит в лавинный режим, напряжение может быть очень стабильным в течение десятилетий тока. Вот типичный IV семейства On Semi Zener:
Обратите внимание, что более ценные стабилитроны имеют лучшую стабильность, чем недорогие. И, конечно, есть также температурные колебания (1-2 мВ / К, типичные для части On Semi при 5,1 В), о которых нужно беспокоиться, если вы хотите очень стабильное напряжение ограничения.
Было время, когда я думал, что стабилитроны были великолепны. Теперь я знаю, что это не так. На самом деле они воняют. Этот диод имеет допуск 4% при 250 мкА, так что вы можете потерять верхние 200 мВ вашего показания, но это ухудшается: при напряжении 10 мкА напряжение стабилитрона составляет всего 4,3 В, это ошибка 14%. Если ваш вход поступает от источника с относительно высоким импедансом, например резистивного делителя, вы можете потерять верхние 700 мВ.
Большинство микроконтроллеров имеют зажимные диоды на своих выводах ввода / вывода:
Вы можете использовать их. Если ваш сигнал поступает с выхода с низким импедансом, вам нужно добавить последовательный резистор для защиты ограничивающего диода от слишком высокого тока. 50 мА часто указывается как абсолютный максимальный рейтинг. Если вы используете резистор 15 кОм, вы ограничите ток до 1 мА для входа 20 В. Фотон справедливо указывает, что течение не должно быть слишком высоким. Это потому, что вы вводите ток туда, где напряжение исходит от регулятора напряжения, и это может только источник тока, а не его поглощение. Таким образом, если внешний источник подает ток, нагрузка регулятора должна быть в состоянии отвести его на землю.
Как указывает PetPaulsen , есть дебаты, является ли это приемлемой практикой. В техническом описании может быть указано, что максимальный вход составляет Vcc + 0,3 В, но также может быть указано максимум 20 мА для зажимных диодов (например, для этого контроллера PIC . Это может означать, что падение напряжения на зажимном диоде составляет менее 0,3 В, например, если они В
любом случае, вы всегда можете использовать свой собственный внешний диод для подключения к Vcc. Этот диод Шоттки падает только на 100 мВ при 10 мА, поэтому он прижимает вход к безопасному значению. Не забудьте резистор 15 кОм для источники с низким выходным сопротивлением.
Если ваше входное напряжение не становится отрицательным, то зажим заземления не требуется.