嵌入式模数转换器不符合数据表的原因分析-电子发烧友网

您的嵌入式模数转换器（ADC）不符合数据表的原因是表征环境与您的应用不匹配。不同之处在于集成电路（IC）制造商干净且受控的表征环境中不存在噪声（电磁干扰）。

在开始责怪表征工程师之前，让我们认识到嵌入式 ADC 只是微控制器（MCU）的众多外设之一。组合和排列的数量使得对所有用例的完整表征变得不切实际。由于制造商只选择了一部分用例——通常是性能更好的用例——这些用例与您的特定应用程序之间可能存在差距。在本系列文章中，我们将提供有关如何揭开这一差距的指南。

这个由四部分组成的系列介绍了有助于提高 ADC 性能的不同组件以及您可以结合用于专门解决噪声的不同技术。第一部分将讨论 ADC 的不同组件。第二部分将讨论时钟和参考选择。第三和第四部分将讨论如何通过用户配置和印刷电路板（PCB）布局来提高性能，第四部分将重点介绍差分输入对数据采集的好处。

为什么您的嵌入式 ADC 性能与数据表不匹配

IC 制造商希望在数据表中展示可能的最佳性能；因此，他们选择使他们的设备处于最佳状态的配置。一些 IC 制造商会在两种不同的配置下显示一个参数，或者包含一个图表来显示不同的配置将如何影响性能，但如果两者都没有，则假设您在数据表中看到的是最佳情况。仔细注意测试条件很重要。

让我们回顾几个影响性能的常见配置参数，并提供一些指导方针，说明如何获取具有与您的用例不匹配的参数条件的数据表，并且仍然知道预期的性能。

数据表中只有 ADC 处于活动状态，因此噪声很低。为了获得 ADC 性能数据，设备处于低功耗模式，并且中央处理单元（CPU）处于非活动状态，以最大限度地减少噪声。如果您可以在 ADC 测量期间限制开启的内容，那么数据表性能可以很好地指示您可以达到的性能水平。但是，如果 CPU 负载很重，并且其他任务正在设备、电路板和系统级别运行，那么最好尽早对性能进行基准测试，以确保 ADC 满足您的需求。本系列的第三和第四部分将讨论您的电路板的 PCB 考虑因素，以最大限度地提高性能。

稳压器架构。如果您可以在内部低压差稳压器（LDO）和 DC/DC 转换器之间进行选择，LDO 将最大限度地降低片上噪声。如果您想最大限度地延长电池寿命并选择 DC/DC 转换器，则开关噪声可能会降低 ADC 性能，其程度取决于输入信号频率，并且在不同 ADC 和不同开关频率 DC/DC 转换器之间有所不同。

数据表仅显示 ADC 性能，而不是信号链性能。 MCU 可能包含其他组件，例如运算放大器和数模转换器（DAC），可用于通向 ADC 的信号链中。在信号路径中使用时，它们引起的噪声会降低 ADC 的输入，从而增加 ADC 输出中的噪声。数据表通常只显示 ADC 性能，芯片上的活动越多，频率越高，通常 ADC 性能下降得越多。ADC 是模拟前端的最后一块，但额外的后置数字滤波可以进一步提高性能。此外，如果 ADC 在输入信号的奈奎斯特速率上进行足够多的采样，则可以在系统级实施过采样以提高 SNR，因为可以滤除带外量化和热噪声［1］。

配置（模式）。大多数 ADC 具有可配置性，允许您自定义权衡取舍，例如速度、性能和电流。因此，单个数据表值可能无法涵盖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，以便针对各种用例优化 ADC 的功率和性能。以下是性能参数的两个示例，以及它们如何受配置影响。

电流消耗。电流通常是多种因素的结果，并随配置而变化。参考文献［2］提供了更详细的低功耗特性和 ADC 可配置性列表。一些数据表将具有典型曲线，显示电流如何随不同配置而变化。图 1 来自 ADC 数据表，显示了功耗模式（PWRMD = 2 为低功耗模式）和单端或差分端输入如何影响 ADC 的典型电流消耗。

图 1：不同 ADC 配置下的电流与采样率

（注意：列出的典型值仅供参考，您可以使用实际使用配置来表征跨设备，以获得更好的代表性参数值。数据表参数最大值包括过程变化，因此必须按原样使用。）

采样率。有几个因素会影响采样率，包括转换时钟频率、采样和保持时间，以及任何特殊模式或功能，如集成窗口比较器。器件数据表将列出特定源电阻和电容的最短采样时间，但如果您正在测量的源具有更大的源电阻，则 ADC 需要更长的采样时间才能最大限度地提高 ADC 性能。制造商应在数据表和/或参考手册中记录 ADC 的最小采样时间方程。参考文献［3］显示了特定设备的最小采样时间方程和示例计算示例。

电源电压。MCU 具有相当宽的工作范围以支持许多应用，尤其是电池供电的应用。宽范围并不总是与 ADC 匹配，这可能需要更高的最小电源电压。如果这是一个限制，那么您会在数据表中找到 ADC 操作的最小电源电压，通常是 ADC 参数表中的一行。根据 ADC 架构和设计，在较低的电源电压下可能会出现性能下降，因此请仔细查看所使用电源电压的数据表测试条件。数据表以不同方式显示测试条件，包括脚注、数据表中的列和/或表格标题。一些数据表用图表补充表格条目，显示性能如何随电压或温度变化。

在电池供电的应用中，了解工作电池电压范围内的性能对于成功的设计至关重要。如果您的应用需要比数据表显示的 ADC 参数更低的电源，请检查应用的最低电源下的性能，以了解它是否满足您的性能要求。

当电源发生变化时，例如直接连接电池的情况，一些参数值可能会随着电源电压而变化。电源抑制比（PSRR）是一种衡量标准，但也可以使用单位*/Vsupply 查找任何参数。

可能受电源变化影响的其他参数包括增益和失调误差。请记住，电源变化的影响取决于 ADC。一些 ADC 可能会进行次级稳压（例如，使用内部 LDO）以始终具有独立于设备电源的相同电压电源。

时钟。MCU 内的 ADC 通常具有可配置的时钟源。较高的时钟抖动会降低非直流信号的信噪比（SNR）。内部振荡器的抖动通常最高，而外部时钟的抖动最低。内部振荡器是低电流和低成本解决方案的首选，只要抖动不会使性能降低到低于要求的水平。MCU 数据手册通常不指定内部时钟的抖动。可以容忍的抖动量取决于应用程序。您将需要更多详细信息来了解如何为您的应用程序选择正确的时钟，我们将在第 2 部分中介绍。

参考。大多数 MCU ADC 提供内部参考，或支持使用外部参考。外部基准可提供更高的性能，但会增加成本并且通常具有更高的电流。第 2 部分将详细介绍以帮助您为您的应用选择正确的参考源。

无论您选择何种参考源，如果集成 ADC 支持输入参考电压范围，那么了解参考电压电平如何影响性能就很重要。选择较低的参考电压会减小最低有效位（LSB）大小，从而减小整体（满量程）范围，以解决电压的较小变化。通过参考电压电平降低信号会影响性能，如公式 1 所示：

其中 SIGNAL 是小于或等于参考电压的满量程 ADC 输入。

图 2 显示了 SNR 如何随着参考电压的降低而降低。给定相同的噪声，当信号较小时（在较低参考电压的情况下），SNR 较低。因此，为了最大限度地提高性能，请记住 ADC 的完整动态范围；如有必要，预处理或放大 ADC 输入以使用完整的 ADC 动态范围。

在不能使用放大器的情况下，选择大于最大输入信号的最小参考电压电平。例如，如果输入信号为 1.9V，并且有 2V 和 4V 参考电压可用，则将输入放大 2 倍并使用 4V 参考将提供比直接使用 2V 参考测量 1.9V 更好的 SNR。例如，如果 ADC 输入信号为 0V 至 1.9V，则 2V 基准优于 2.5V 基准。