嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器不符合數(shù)據(jù)表的原因分析

您的嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 不符合數(shù)據(jù)表的原因是表征環(huán)境與您的應(yīng)用不匹配。不同之處在于集成電路 （IC） 制造商干凈且受控的表征環(huán)境中不存在噪聲（電磁干擾）。

在開始責(zé)怪表征工程師之前，讓我們認(rèn)識到嵌入式 ADC 只是微控制器 （MCU） 的眾多外設(shè)之一。組合和排列的數(shù)量使得對所有用例的完整表征變得不切實際。由于制造商只選擇了一部分用例——通常是性能更好的用例——這些用例與您的特定應(yīng)用程序之間可能存在差距。在本系列文章中，我們將提供有關(guān)如何揭開這一差距的指南。

這個由四部分組成的系列介紹了有助于提高 ADC 性能的不同組件以及您可以結(jié)合用于專門解決噪聲的不同技術(shù)。第一部分將討論 ADC 的不同組件。第二部分將討論時鐘和參考選擇。第三和第四部分將討論如何通過用戶配置和印刷電路板 （PCB） 布局來提高性能，第四部分將重點介紹差分輸入對數(shù)據(jù)采集的好處。

為什么您的嵌入式 ADC 性能與數(shù)據(jù)表不匹配

IC 制造商希望在數(shù)據(jù)表中展示可能的最佳性能；因此，他們選擇使他們的設(shè)備處于最佳狀態(tài)的配置。一些 IC 制造商會在兩種不同的配置下顯示一個參數(shù)，或者包含一個圖表來顯示不同的配置將如何影響性能，但如果兩者都沒有，則假設(shè)您在數(shù)據(jù)表中看到的是最佳情況。仔細(xì)注意測試條件很重要。

讓我們回顧幾個影響性能的常見配置參數(shù)，并提供一些指導(dǎo)方針，說明如何獲取具有與您的用例不匹配的參數(shù)條件的數(shù)據(jù)表，并且仍然知道預(yù)期的性能。

數(shù)據(jù)表中只有 ADC 處于活動狀態(tài)，因此噪聲很低。為了獲得 ADC 性能數(shù)據(jù)，設(shè)備處于低功耗模式，并且中央處理單元 （CPU） 處于非活動狀態(tài)，以最大限度地減少噪聲。如果您可以在 ADC 測量期間限制開啟的內(nèi)容，那么數(shù)據(jù)表性能可以很好地指示您可以達(dá)到的性能水平。但是，如果 CPU 負(fù)載很重，并且其他任務(wù)正在設(shè)備、電路板和系統(tǒng)級別運行，那么最好盡早對性能進(jìn)行基準(zhǔn)測試，以確保 ADC 滿足您的需求。本系列的第三和第四部分將討論您的電路板的 PCB 考慮因素，以最大限度地提高性能。

穩(wěn)壓器架構(gòu)。如果您可以在內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行選擇，LDO 將最大限度地降低片上噪聲。如果您想最大限度地延長電池壽命并選擇 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，則開關(guān)噪聲可能會降低 ADC 性能，其程度取決于輸入信號頻率，并且在不同 ADC 和不同開關(guān)頻率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間有所不同。

數(shù)據(jù)表僅顯示 ADC 性能，而不是信號鏈性能。 MCU 可能包含其他組件，例如運算放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），可用于通向 ADC 的信號鏈中。在信號路徑中使用時，它們引起的噪聲會降低 ADC 的輸入，從而增加 ADC 輸出中的噪聲。數(shù)據(jù)表通常只顯示 ADC 性能，芯片上的活動越多，頻率越高，通常 ADC 性能下降得越多。ADC 是模擬前端的最后一塊，但額外的后置數(shù)字濾波可以進(jìn)一步提高性能。此外，如果 ADC 在輸入信號的奈奎斯特速率上進(jìn)行足夠多的采樣，則可以在系統(tǒng)級實施過采樣以提高 SNR，因為可以濾除帶外量化和熱噪聲 ［1］。

配置（模式）。大多數(shù) ADC 具有可配置性，允許您自定義權(quán)衡取舍，例如速度、性能和電流。因此，單個數(shù)據(jù)表值可能無法涵蓋所有??可能配置的性能。集成到 MCU 中的 ADC 通常具有更高的可配置性，以便針對各種用例優(yōu)化 ADC 的功率和性能。以下是性能參數(shù)的兩個示例，以及它們?nèi)绾问芘渲糜绊憽?/p>

電流消耗。電流通常是多種因素的結(jié)果，并隨配置而變化。參考文獻(xiàn) ［2］ 提供了更詳細(xì)的低功耗特性和 ADC 可配置性列表。一些數(shù)據(jù)表將具有典型曲線，顯示電流如何隨不同配置而變化。圖 1 來自 ADC 數(shù)據(jù)表，顯示了功耗模式（PWRMD = 2 為低功耗模式）和單端或差分端輸入如何影響 ADC 的典型電流消耗。

圖 1：不同 ADC 配置下的電流與采樣率

（注意：列出的典型值僅供參考，您可以使用實際使用配置來表征跨設(shè)備，以獲得更好的代表性參數(shù)值。數(shù)據(jù)表參數(shù)最大值包括過程變化，因此必須按原樣使用。）

采樣率。有幾個因素會影響采樣率，包括轉(zhuǎn)換時鐘頻率、采樣和保持時間，以及任何特殊模式或功能，如集成窗口比較器。器件數(shù)據(jù)表將列出特定源電阻和電容的最短采樣時間，但如果您正在測量的源具有更大的源電阻，則 ADC 需要更長的采樣時間才能最大限度地提高 ADC 性能。制造商應(yīng)在數(shù)據(jù)表和/或參考手冊中記錄 ADC 的最小采樣時間方程。參考文獻(xiàn) ［3］ 顯示了特定設(shè)備的最小采樣時間方程和示例計算示例。

電源電壓。MCU 具有相當(dāng)寬的工作范圍以支持許多應(yīng)用，尤其是電池供電的應(yīng)用。寬范圍并不總是與 ADC 匹配，這可能需要更高的最小電源電壓。如果這是一個限制，那么您會在數(shù)據(jù)表中找到 ADC 操作的最小電源電壓，通常是 ADC 參數(shù)表中的一行。根據(jù) ADC 架構(gòu)和設(shè)計，在較低的電源電壓下可能會出現(xiàn)性能下降，因此請仔細(xì)查看所使用電源電壓的數(shù)據(jù)表測試條件。數(shù)據(jù)表以不同方式顯示測試條件，包括腳注、數(shù)據(jù)表中的列和/或表格標(biāo)題。一些數(shù)據(jù)表用圖表補充表格條目，顯示性能如何隨電壓或溫度變化。

在電池供電的應(yīng)用中，了解工作電池電壓范圍內(nèi)的性能對于成功的設(shè)計至關(guān)重要。如果您的應(yīng)用需要比數(shù)據(jù)表顯示的 ADC 參數(shù)更低的電源，請檢查應(yīng)用的最低電源下的性能，以了解它是否滿足您的性能要求。

當(dāng)電源發(fā)生變化時，例如直接連接電池的情況，一些參數(shù)值可能會隨著電源電壓而變化。電源抑制比 （PSRR） 是一種衡量標(biāo)準(zhǔn)，但也可以使用單位*/Vsupply 查找任何參數(shù)。

可能受電源變化影響的其他參數(shù)包括增益和失調(diào)誤差。請記住，電源變化的影響取決于 ADC。一些 ADC 可能會進(jìn)行次級穩(wěn)壓（例如，使用內(nèi)部 LDO）以始終具有獨立于設(shè)備電源的相同電壓電源。

時鐘。MCU 內(nèi)的 ADC 通常具有可配置的時鐘源。較高的時鐘抖動會降低非直流信號的信噪比 （SNR）。內(nèi)部振蕩器的抖動通常最高，而外部時鐘的抖動最低。內(nèi)部振蕩器是低電流和低成本解決方案的首選，只要抖動不會使性能降低到低于要求的水平。MCU 數(shù)據(jù)手冊通常不指定內(nèi)部時鐘的抖動。可以容忍的抖動量取決于應(yīng)用程序。您將需要更多詳細(xì)信息來了解如何為您的應(yīng)用程序選擇正確的時鐘，我們將在第 2 部分中介紹。

參考。大多數(shù) MCU ADC 提供內(nèi)部參考，或支持使用外部參考。外部基準(zhǔn)可提供更高的性能，但會增加成本并且通常具有更高的電流。第 2 部分將詳細(xì)介紹以幫助您為您的應(yīng)用選擇正確的參考源。

無論您選擇何種參考源，如果集成 ADC 支持輸入?yún)⒖茧妷悍秶?，那么了解參考電壓電平如何影響性能就很重要。選擇較低的參考電壓會減小最低有效位 （LSB） 大小，從而減小整體（滿量程）范圍，以解決電壓的較小變化。通過參考電壓電平降低信號會影響性能，如公式 1 所示：

其中 SIGNAL 是小于或等于參考電壓的滿量程 ADC 輸入。

圖 2 顯示了 SNR 如何隨著參考電壓的降低而降低。給定相同的噪聲，當(dāng)信號較小時（在較低參考電壓的情況下），SNR 較低。因此，為了最大限度地提高性能，請記住 ADC 的完整動態(tài)范圍；如有必要，預(yù)處理或放大 ADC 輸入以使用完整的 ADC 動態(tài)范圍。

在不能使用放大器的情況下，選擇大于最大輸入信號的最小參考電壓電平。例如，如果輸入信號為 1.9V，并且有 2V 和 4V 參考電壓可用，則將輸入放大 2 倍并使用 4V 參考將提供比直接使用 2V 參考測量 1.9V 更好的 SNR。例如，如果 ADC 輸入信號為 0V 至 1.9V，則 2V 基準(zhǔn)優(yōu)于 2.5V 基準(zhǔn)。

結(jié)論

第一部分重點介紹了影響 ADC 性能的不同配置和組件。配置因設(shè)備而異，您在做出組件決策時需要了解這些配置。然而，除了配置之外，還有一些 ADC 的基礎(chǔ)組件需要更詳細(xì)地探索，這些組件與所有 MCU 相關(guān)。在第 2 部分中，我們將探討 ADC 時鐘和參考選項。

審核編輯：郭婷