基于單片機讀取外部電壓ADC阻抗匹配問題之淺析

單片機的基準電壓一般為3.3V，如果外部信號超過了AD測量范圍，可以采用電阻分壓的方法，但是要注意阻抗匹配問題。比如，SMT32的模數(shù)輸入阻抗約為10K，如果外接的分壓電阻無法遠小于該阻值，則會因為信號源輸出阻抗較大，AD的輸入阻抗較小，從而輸入阻抗對信號源信號的電壓造成分壓，最終導致電壓讀取誤差較大。

因此對于使用單片機讀取外部信號電壓，外接分壓電阻必須選用較小的電阻，或者在對功耗有要求的情況下，可選用大阻值的電壓分壓后，使用電壓跟隨器進行阻抗匹配（電壓跟隨器輸入阻抗可達到幾兆歐姆，輸出阻抗為幾歐姆甚至更?。?。如果信號源的輸出阻抗較大，可采用電壓跟隨器匹配后再接電阻分壓。

對于外置的ADC芯片，在選型時，要留意其類型（SAR型、開關電容型、FLASH型、雙積分型、Sigma-Delta型），不同類型的ADC芯片輸入阻抗不同——

1、SAR型：這種ADC內(nèi)阻都很大，一般500K以上。即使阻抗小的ADC，阻抗也是固定的。所以即使只要被測源內(nèi)阻穩(wěn)定，只是相當于電阻分壓，可以被校正；

2、開關電容型：如TLC2543之類，其要求很低的輸入阻抗用于對內(nèi)部采樣電容快速充電。這時最好有低阻源，否則會引起誤差。實在不行，可以外部并聯(lián)一很大的電容，每次被取樣后，大電容的電壓下降不多。因此并聯(lián)外部大電容后，開關電容輸入可以等效為一個純阻性阻抗，可以被校正；

3、FLASH型（直接比較型）：大多高速ADC都是直接比較型，也稱閃速型（FLASH），一般都是低阻抗的。要求低阻源。對外表現(xiàn)純阻性，可以和運放直接連接；

4、雙積分型：這種類型大多輸入阻抗極高，幾乎不用考慮阻抗問題；

5、Sigma-Delta型：這是目前精度最高的ADC類型，需要重點注意如下問題：

測量范圍問題：SigmaDelta型ADC屬于開關電容型輸入，必須有低阻源。所以為了簡化外部設計，內(nèi)部大多集成有緩沖器。緩沖器打開，則對外呈現(xiàn)高阻，使用方便。但要注意了，緩沖器實際是個運放。那么必然有上下軌的限制。大多數(shù)緩沖器都是下軌50mV，上軌AVCC-1.5V。在這種應用中，共莫輸入范圍大大的縮小，而且不能到測0V。一定要特別小心！一般用在電橋測量中，因為共模范圍都在1/2VCC附近。不必過分擔心緩沖器的零票，通過內(nèi)部校零寄存器很容易校正的；

輸入端有RC濾波器的問題：SigmaDelta型ADC屬于開關電容型輸入，在低阻源上工作良好。但有時候為了抑制共?；蛞种颇丝固仡l率外的信號，需要在輸入端加RC濾波器，一般DATASHEET上會給一張最大允許輸入阻抗和C和Gain的關系表。這時很奇怪的一個特性是，C越大，則最大輸入阻抗必須隨之減??！剛開始可能很多人不解，其實只要想一下電容充電特性久很容易明白的。還有一個折衷的辦法是，把C取很大，遠大于幾百萬倍的采樣電容Cs(一般4~20PF),則輸入等效純電阻，分壓誤差可以用GainOffset寄存器校正。

運放千萬不能和SigmaDelta型ADC直連！前面說過，開關電容輸入電路電路周期用采樣電容從輸入端采樣，每次和運放并聯(lián)的時候，會呈現(xiàn)低阻，和運放輸出阻抗分壓，造成電壓下降，負反饋立刻開始校正，但運放壓擺率(SlewRate)有限，不能立刻響應。于是造成瞬間電壓跌落，取樣接近完畢時，相當于高阻，運放輸出電壓上升，但壓擺率使運放來不及校正，結果是過沖。而這時正是最關鍵的采樣結束時刻。所以，運放和SD型ADC連接，必須通過一個電阻和電容連接（接成低通）。而RC的關系又必須服從datasheet所述規(guī)則。

差分輸入和雙極性的問題：SD型ADC都可以差分輸入，都支持雙極性輸入。但這里的雙極性并不是指可以測負壓，而是Vi+ Vi-兩腳之間的電壓。假設Vi-接AGND，那么負壓測量范圍不會超過-0.3V。正確的接法是Vi+ Vi- 共模都在-0.3~VCC之間差分輸入。一個典型的例子是電橋。另一個例子是Vi-接Vref，Vi+對Vi-的電壓允許雙極性輸入