在本系列的第1部分中,我們介紹了數(shù)據(jù)手冊中嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)性能可能不代表您的應(yīng)用的原因。這些原因包括:在芯片系統(tǒng)(SoC)的其余部分安靜時(shí)對ADC進(jìn)行表征,考慮整個(gè)信號(hào)鏈,而不僅僅是隔離的ADC(因?yàn)?a target="_blank">運(yùn)算放大器會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量,降低轉(zhuǎn)換的ADC輸出),以及一些影響性能的配置主題。在本期中,我們將分享其他詳細(xì)信息,以幫助您為應(yīng)用選擇正確的時(shí)鐘和正確的參考。
時(shí)鐘選擇
時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)影響ADC對非直流信號(hào)的信噪比(SNR)。較高的SNR意味著信號(hào)更多,噪聲更少(從而獲得更好的性能)。時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致采樣時(shí)間出現(xiàn)偏差。如果與采樣率相比,這種偏差很小,那么它對性能的影響不大。但輸入信號(hào)頻率越高,抖動(dòng)越低SNR。公式1顯示了計(jì)算所需ADC性能(SNR)的最大抖動(dòng)的關(guān)系:
圖 1 以圖形方式顯示了這種影響,并提供了一些示例數(shù)字。
理想情況下,數(shù)據(jù)手冊會(huì)列出每個(gè)時(shí)鐘源的抖動(dòng),但這種情況很少見,或者數(shù)據(jù)手冊沒有提供計(jì)算目標(biāo)抖動(dòng)所需的所有信息。最低抖動(dòng)性能始終存在于外部晶體中,但如果系統(tǒng)的其他部分不需要晶體,則成本會(huì)增加。外部晶體還需要額外的功率和更長的啟動(dòng)時(shí)間(這降低了通過占空比ADC及其貢獻(xiàn)IP(可能包括時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓源)而節(jié)省的功耗)。表1總結(jié)了典型的時(shí)鐘源選項(xiàng)以及與每個(gè)選項(xiàng)相關(guān)的優(yōu)勢和成本。有關(guān)時(shí)鐘抖動(dòng)的更深入探討,請參閱參考文獻(xiàn) [1] 和 [2]。
時(shí)鐘源 | 抖動(dòng) | 成本 | 建議使用 |
分機(jī)CLK | 最低 |
需要外部晶體 更高的功率 啟動(dòng)時(shí)間更長 |
當(dāng)您需要在更高的輸入信號(hào)頻率下獲得最佳性能時(shí) |
國際鎖相環(huán) | 中等 |
需要一個(gè)外部晶體來降低抖動(dòng) 更高的電流 啟動(dòng)時(shí)間更長 |
如果鎖相環(huán)(PLL)在使用ADC時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通,并且不需要使用外部晶體獲得的較低抖動(dòng) |
國際 OSC | 最高 |
無外部組件 可以快速啟動(dòng) |
最適合低頻輸入信號(hào) |
表 1:時(shí)鐘源選項(xiàng)
基準(zhǔn)電壓源
基準(zhǔn)電壓有兩個(gè)主要部分會(huì)影響ADC性能:精度和電壓。我們在本系列的第1部分中討論了基準(zhǔn)電壓的影響。我們還將關(guān)注這部分的準(zhǔn)確性。
準(zhǔn)確性取決于您使用的參考。對于集成在MCU上的ADC,基準(zhǔn)選項(xiàng)可能包括(按精度遞增的順序):電源、內(nèi)部基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)(單獨(dú)的芯片)。
作為基準(zhǔn)電壓源的電源是電流最低的選項(xiàng),但通常噪聲更大,因?yàn)樗鼮?a target="_blank">數(shù)字電路(具有開關(guān)噪聲)供電。減輕或保護(hù)模擬電源免受數(shù)字開關(guān)噪聲影響的一種常用技術(shù)是在模擬電源和數(shù)字電源之間使用濾波器(如果有單獨(dú)的引腳)。類似地,為了將電源上的噪聲與基準(zhǔn)電壓源隔離開來,可以使用鐵氧體磁珠(無源電元件)和去耦濾波器將外部電源連接到ADC的外部基準(zhǔn)引腳,以降低噪聲,如圖1所示。鐵氧體磁珠是隔離噪聲的常用做法,尤其是在模擬和嘈雜的開關(guān)數(shù)字MCU電源引腳之間。
基準(zhǔn)電壓源[3]提供了鐵氧體磁珠使用的詳細(xì)情況,雖然它是圍繞鎖相環(huán)(PLL)編寫的,但它也適用于ADC。此外,用于ADC基準(zhǔn)電壓源的電源通常不能與電池直接連接,因?yàn)殡妷簳?huì)在電池的使用壽命內(nèi)衰減。您必須知道ADC基準(zhǔn)電壓才能計(jì)算ADC的轉(zhuǎn)換電壓。
內(nèi)部基準(zhǔn)通常提供比電源更低的噪聲,但代價(jià)是電流消耗增加。即使如上所述,電源經(jīng)過濾波并施加到外部基準(zhǔn)路徑,內(nèi)部基準(zhǔn)通常也是低噪聲選項(xiàng)。
ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果具有意義,因?yàn)闇y量是從基準(zhǔn)電壓源的角度進(jìn)行的。如果參考的精度較差,則轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度將較差。在嵌入式工藝中,不僅要提供精確的基準(zhǔn)電壓源,而且要提供在寬溫度范圍內(nèi)精確的基準(zhǔn)電壓源,這是考慮使用外部基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)很好的理由。
外部基準(zhǔn)電壓源具有更好的精度和更低的溫度系數(shù)/漂移,這通常是選擇基準(zhǔn)電壓源時(shí)的兩個(gè)主要決策因素。外部基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為百萬分之一/攝氏度,而集成 MCU 基準(zhǔn)電壓源的范圍為 25 ppm/°C 至 50 ppm/°C。
表2概述了內(nèi)部(集成)和外部基準(zhǔn)之間的優(yōu)勢和成本。基準(zhǔn)電壓源 [4] 詳細(xì)介紹了如何選擇基準(zhǔn)電壓源以及誤差和精度計(jì)算示例。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓源 | 優(yōu)勢 | 缺點(diǎn) | 建議使用 |
單片機(jī)電源 |
最低系統(tǒng)電流 無額外費(fèi)用 |
由于從ADC到MCU電源引腳的內(nèi)阻(IR壓降)上的噪聲/ 電壓下降,性能最差 |
當(dāng)VDDA電源不是電池并且要求最低系統(tǒng)功率時(shí) |
內(nèi)部參考 |
無額外費(fèi)用 中等性能 |
可能需要校準(zhǔn)技術(shù)與外部基準(zhǔn) | 當(dāng) VDDA 電源不符合性能要求時(shí) |
外部參考 | 最佳性能 |
額外費(fèi)用 附加組件 通常電流較高 |
當(dāng)要求最佳性能時(shí) |
表 2:ADC 基準(zhǔn)電壓源選擇選項(xiàng)
通常,您將使用滿足性能需求的最便宜或最低功耗的基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)。要查看所需的性能,請考慮以下四個(gè)主要參考誤差因素:
精度 – 電壓變化。
溫度系數(shù) – 電壓隨溫度漂移的程度。對于溫度范圍,請使用產(chǎn)品的溫度規(guī)格。
電源抑制比 (PSRR) – 基準(zhǔn)電壓在應(yīng)用使用的器件電源范圍內(nèi)的變化程度。如果您的應(yīng)用對MCU施加穩(wěn)壓,則此值很?。娫粗械募y波)。
負(fù)載調(diào)整率 – 如果基準(zhǔn)電壓源僅進(jìn)入ADC,則可以忽略負(fù)載調(diào)整率。如果沒有,請使用用于ADC基準(zhǔn)電壓源的電壓源的總負(fù)載。
您可以使用表 3 中的計(jì)算示例來幫助您計(jì)算所需的值。
表 3:計(jì)算示例
使用外部基準(zhǔn)電壓源在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提高直流基準(zhǔn)精度有兩種選擇:
校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是一個(gè)多步驟的過程,需要在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測量。在生產(chǎn)中,創(chuàng)建一個(gè)查找表(如果溫度范圍較小,則創(chuàng)建一個(gè)查找表)來確定實(shí)際基準(zhǔn)電壓(一些設(shè)備制造商實(shí)際上在器件生產(chǎn)過程中測量此電壓并將其存儲(chǔ)在片上),并在軟件中使用基準(zhǔn)電壓來校正原始ADC代碼或針對不準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓調(diào)整ADC結(jié)果。等式2是校正等式:
其中VREF是理想的ADC基準(zhǔn)電壓,measured_VREF是測得的ADC基準(zhǔn)電壓。
如果要對溫度進(jìn)行校正,則需要在ADC測量時(shí)進(jìn)行溫度測量,以了解在查找表中使用哪個(gè)測量的基準(zhǔn)電壓值。表3顯示了一些不同的參考參數(shù)和校準(zhǔn)選項(xiàng),可用于改進(jìn)精度和溫度漂移的參數(shù)。
比率測量。在用于激勵(lì)傳感器的電壓與ADC基準(zhǔn)電壓相同的應(yīng)用中,該測量稱為比率測量。通過使用相同的電壓激勵(lì)傳感器并提供ADC基準(zhǔn)電壓,電壓中的任何誤差都將被抵消。對于比率測量,您可以使用外部基準(zhǔn),也可以使內(nèi)部基準(zhǔn)在設(shè)備外部可用。當(dāng)電流源用于激勵(lì)傳感器時(shí),您還可以進(jìn)行比率測量,電阻位于正負(fù)ADC基準(zhǔn)電壓引腳之間,激勵(lì)電流通過該電阻。參考文獻(xiàn) [5] 討論了使用電阻溫度檢測器 (RTD) 進(jìn)行比率測量的示例。
結(jié)論
時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓源是影響ADC性能的兩個(gè)關(guān)鍵元件。在評估數(shù)據(jù)手冊性能并與實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行比較時(shí),了解所選基準(zhǔn)電壓源和時(shí)鐘源的差異非常重要。
前兩部分重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)手冊與實(shí)際設(shè)計(jì)之間存在差異的原因,突出了測試條件和配置的重要性。接下來的兩期將介紹如何構(gòu)建解決方案(印刷電路板),以符合更好地了解數(shù)據(jù)手冊帶來的新期望。
審核編輯:郭婷
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