如何为应用程序选择正确的参考和时钟源

在本系列的第 1 部分中，我们介绍了数据表中的嵌入式模数转换器 (ADC) 性能可能无法代表您的应用的原因。这些原因包括在芯片系统 (SoC) 的其余部分处于安静状态时对 ADC 进行表征，考虑整个信号链，而不仅仅是孤立的 ADC（因为运算放大器会降低信号，减少转换后的 ADC 输出），以及一些影响性能的配置主题。在本期中，我们将分享更多详细信息，以帮助您为应用程序选择正确的时钟和正确的参考。

时钟选择

时钟抖动会影响 ADC 对于非 DC 信号的信噪比 (SNR)。更高的 SNR 意味着有更多的信号和更少的噪音（导致更好的性能）。时钟抖动会导致采样时间出现偏差。如果与采样率相比，该偏差很小，那么它不会对性能产生太大影响。但输入信号频率越高，SNR 降低的抖动就越多。公式 1 显示了计算所需 ADC 性能 (SNR) 的最大抖动的关系：

图 1 以图形方式显示了这种影响，并附有一些示例数字。

理想情况下，数据手册会列出每个时钟源的抖动，但这种情况很少发生——或者数据手册没有提供计算所需抖动所需的所有信息。外部晶振始终具有最低的抖动性能，但如果系统的其他部分不需要晶振，则成本会增加。外部晶振还需要额外的功率和更长的启动时间（这会降低通过循环 ADC 及其贡献的 IP 所节省的功率，其中可能包括时钟和参考）。表 1 总结了典型的时钟源选项以及与每个选项相关的收益和成本。如需更深入地了解时钟抖动，请参阅参考文献 [1] 和 [2]。

表 1：时钟源选项

电压参考

影响 ADC 性能的参考电压主要有两个部分：精度和电压。我们在本系列的第 1 部分中讨论了参考电压的影响。在这一部分中，我们还将关注准确性。

准确性取决于您使用的参考。对于集成在 MCU 上的 ADC，参考选项可能包括（按精度递增的顺序）：电源、内部参考或外部参考（单独的芯片）。

作为参考的电源是最低电流选项，但通常噪声更大，因为它为数字电路（具有开关噪声）供电。减轻或保护模拟电源免受数字开关噪声影响的一种常用技术是，如果有单独的引脚，则在模拟和数字电源之间使用滤波器。同样，为了将电源上的噪声与基准隔离，您可以使用铁氧体磁珠（一种无源电子元件）和去耦滤波器将外部电源连接到 ADC 的外部基准引脚以降低噪声，如图 1 所示。铁氧体磁珠是隔离噪声的常用做法，尤其是在模拟和嘈杂的开关数字 MCU 电源引脚之间。

参考文献 [3] 提供了使用铁氧体磁珠的详细信息，虽然它是围绕锁相环 (PLL) 编写的，但它也适用于 ADC。此外，用于 ADC 参考的电源通常不能直接连接到电池，因为电压会在电池的使用寿命内衰减。您必须知道 ADC 参考电压才能计算 ADC 的转换电压。

内部基准通常以增加电流消耗为代价提供比电源更低的噪声。即使如上所述，电源已被过滤并应用于外部参考路径，内部参考通常也是一种低噪声选项。

ADC 的转换结果有意义，因为测量是从参考的角度进行的。如果参考的精度很差，那么转换结果的精度就会很差。不仅要提供准确的参考，而且要在宽温度范围内提供准确的参考，这在嵌入式工艺中是很难做到的，这也是考虑使用外部参考的好理由。

外部参考具有更好的精度和更低的温度系数/漂移，这通常是选择参考的两个主要决定因素。外部参考电压的温度系数为每摄氏度百万分之个位数，而集成的 MCU 参考电压范围为 25 ppm/°C 至 50 ppm/°C。

表 2 概述了内部（集成）和外部参考之间的收益和成本。参考文献 [4] 详细介绍了如何选择参考电压以及示例误差和精度计算。

表 2：ADC 参考选择选项

通常，您将使用满足性能需求的最便宜或功耗最低的参考选项。要查看所需的性能，请考虑以下四个主要参考误差因素：

准确度——电压变化。

温度系数——电压随温度漂移的程度。对于温度范围，请使用您产品的温度规格。

电源抑制比 (PSRR) – 参考电压在您的应用使用的器件电源范围内变化多少。如果您的应用程序向 MCU 施加稳压电压，则该值很小（电源纹波）。

负载调节——如果参考仅进入 ADC，您可以忽略负载调节。如果不是，则使用来自用于 ADC 参考的电压源的总负载。

您可以使用表 3 中的计算示例来帮助您计算所需的值。

表 3：计算示例

使用外部基准来提高整个温度范围内的直流基准精度有两种选择：

校准。校准是一个多步骤过程，需要在生产环境中进行测量。在生产中，创建一个查找表（如果温度范围很小，则为单个点）以确定实际的参考电压（一些设备制造商实际上在设备生产过程中测量并存储在芯片上）并使用软件中的参考电压来确定纠正原始 ADC 代码或针对不准确的参考电压调整 ADC 结果。方程2是校正方程：

其中 VREF 是理想的 ADC 参考电压，measured_VREF 是测得的 ADC 参考电压。

如果要在整个温度范围内进行校正，则需要在 ADC 测量时进行温度测量，以了解要在查找表中使用哪个测量电压参考值。表 3 显示了一些不同的参考参数以及可用于改进参数的校准选项，特别是针对精度和温度漂移。

比例测量。在用于激励传感器的电压与用作 ADC 的参考电压相同的应用中，该测量称为比率测量。通过使用相同的电压来激励传感器并提供 ADC 参考电压，电压中的任何误差都会被抵消。对于比率测量，您可以使用外部参考或在设备外部提供内部参考。当电流源用于激励传感器时，您还可以进行比率测量，并且在正负 ADC 参考引脚之间放置一个电阻器以及通过该电阻器的激励电流。参考文献 [5] 讨论了使用电阻温度检测器 (RTD) 进行比率测量的示例。

结论

时钟和参考是影响 ADC 性能的两个关键组件。在评估数据表性能并与实际设计进行比较时，重要的是要了解您选择的参考和时钟源的差异。

前两期集中讨论了数据表与实际设计之间存在差异的原因，强调了测试条件和配置的重要性。接下来的两部分将着眼于如何构建一个解决方案（印刷电路板），该解决方案将与更好地理解数据表所带来的新期望保持一致。