時鐘和基準(zhǔn)電壓源選擇

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）的其余部分安靜時對ADC進行表征，考慮整個信號鏈，而不僅僅是隔離的ADC（因為運算放大器會降低信號質(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信息，以幫助您為應(yīng)用選擇正確的時鐘和正確的參考。

時鐘選擇

時鐘抖動會影響ADC對非直流信號的信噪比（SNR）。較高的SNR意味著信號更多，噪聲更少（從而獲得更好的性能）。時鐘抖動會導(dǎo)致采樣時間出現(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。但輸入信號頻率越高，抖動越低SNR。公式1顯示了計算所需ADC性能（SNR）的最大抖動的關(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)手冊會列出每個時鐘源的抖動，但這種情況很少見，或者數(shù)據(jù)手冊沒有提供計算目標(biāo)抖動所需的所有信息。最低抖動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，則成本會增加。外部晶體還需要額外的功率和更長的啟動時間（這降低了通過占空比ADC及其貢獻IP（可能包括時鐘和基準(zhǔn)電壓源）而節(jié)省的功耗）。表1總結(jié)了典型的時鐘源選項以及與每個選項相關(guān)的優(yōu)勢和成本。有關(guān)時鐘抖動的更深入探討，請參閱參考文獻 [1] 和 [2]。

表 1：時鐘源選項

基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓有兩個主要部分會影響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)（單獨的芯片）。

作為基準(zhǔn)電壓源的電源是電流最低的選項，但通常噪聲更大，因為它為數(shù)字電路（具有開關(guān)噪聲）供電。減輕或保護模擬電源免受數(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，因為電壓會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。

ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果具有意義，因為測量是從基準(zhǔn)電壓源的角度進行的。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)電壓源時的兩個主要決策因素。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?；鶞?zhǔn)電壓源 [4] 詳細介紹了如何選擇基準(zhǔn)電壓源以及誤差和精度計算示例。

表 2：ADC 基準(zhǔn)電壓源選擇選項

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。要查看所需的性能，請考慮以下四個主要參考誤差因素：

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）。

負載調(diào)整率 – 如果基準(zhǔn)電壓源僅進入ADC，則可以忽略負載調(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載。

您可以使用表 3 中的計算示例來幫助您計算所需的值。

表 3：計算示例

使用外部基準(zhǔn)電壓源在整個溫度范圍內(nèi)提高直流基準(zhǔn)精度有兩種選擇：

校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是一個多步驟的過程，需要在生產(chǎn)環(huán)境中進行測量。在生產(chǎn)中，創(chuàng)建一個查找表（如果溫度范圍較小，則創(chuàng)建一個查找表）來確定實際基準(zhǔn)電壓（一些設(shè)備制造商實際上在器件生產(chǎn)過程中測量此電壓并將其存儲在片上），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。

如果要對溫度進行校正，則需要在ADC測量時進行溫度測量，以了解在查找表中使用哪個測量的基準(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，可用于改進精度和溫度漂移的參數(shù)。

比率測量。在用于激勵傳感器的電壓與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)電流源用于激勵傳感器時，您還可以進行比率測量，電阻位于正負ADC基準(zhǔn)電壓引腳之間，激勵電流通過該電阻。參考文獻 [5] 討論了使用電阻溫度檢測器 （RTD） 進行比率測量的示例。

結(jié)論

時鐘和基準(zhǔn)電壓源是影響ADC性能的兩個關(guān)鍵元件。在評估數(shù)據(jù)手冊性能并與實際設(shè)計進行比較時，了解所選基準(zhǔn)電壓源和時鐘源的差異非常重要。

前兩部分重點介紹了數(shù)據(jù)手冊與實際設(shè)計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