嵌入式ADC性能与数据手册不匹配

嵌入式模数转换器（ADC）无法按照数据手册执行的原因是表征环境与您的应用不匹配。区别在于集成电路（IC）制造商的清洁和受控表征环境中不存在的噪声（电磁干扰）。

在开始责怪表征工程师之前，让我们先了解一下嵌入式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跨所有用例的完整表征变得不切实际。由于制造商只选择一部分用例（通常是性能更好的用例），因此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导。

本系列文章由四部分组成，介绍了有助于ADC性能的不同组件，以及您可以采用的不同技术来专门解决噪声问题。第一期将讨论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性能与数据手册不匹配

IC制造商希望在数据手册中展示最佳性能;因此，他们选择使其设备处于最佳光线的配置。一些IC制造商会在两种不同的配置下显示一个参数，或者包括一个图表，显示不同的配置将如何影响性能，但在没有这两种配置的情况下，假设您在数据手册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，并提供一些指南，说明如何获取参数条件与您的用例不匹配的数据手册，同时仍然知道预期性能。

数据手册仅将ADC激活，因此噪声较低。为了获得ADC性能数据，器件被置于低功耗模式，中央处理器（CPU）处于非活动状态，以最大限度地降低噪声。如果您奢侈地限制ADC测量期间的开启时间，那么数据手册的性能可以很好地反映您可以达到的性能水平。但是，如果CPU负载过重，并且其他任务在器件、电路板和系统级别运行，则最好尽早对性能进行台架测试，以确保ADC满足您的需求。本系列的第三和第四部分将讨论电路板的 PCB 注意事项，以最大限度地提高性能。

稳压器架构。如果您可以选择内部低压差稳压器 （LDO） 和 DC/DC 转换器，则 LDO 可将片内噪声降至最低。如果要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，并且不同ADC和不同开关频率的DC/DC转换器之间是不同的。

数据手册仅显示ADC性能，不显示信号链性能。MCU可能包含其他组件，如运算放大器和数模转换器（DAC），可用于通往ADC的信号链。当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。数据手册通常只显示ADC性能，片上活动越多，频率越高，ADC性能下降幅度越大。ADC是模拟前端的最后一部分，但额外的后置数字滤波可以进一步提高性能。此外，如果ADC的采样量超过输入信号的奈奎斯特速率，则可以在系统级实现过采样以改善SNR，因为可以滤除带外量化和热噪声［1］。

配置（模式）。大多数ADC都具有可配置性，允许您自定义速度、性能和电流等权衡。因此，单个数据手册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，以便在各种用例中优化ADC的功耗和性能。下面是性能参数的两个示例，以及配置如何影响它们。

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。一些数据手册将具有典型曲线，显示电流如何随不同配置而变化。图1来自ADC数据手册，显示了功率模式（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速率的关系

（注意：列出了典型值以供参考，您可以使用实际使用配置跨设备进行表征，以获得更好的代表性参数值。数据手册的参数最大值包括过程变化，因此必须按原样使用。

采样率。影响采样速率的因素有几个，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。器件数据手册将列出特定源电阻和电容的最短采样时间，但如果要测量的源电阻较大，则ADC需要更长的采样时间才能最大限度地提高ADC性能。制造商应在数据手册和/或参考手册中记录ADC的最小采样时间方程。参考文献［3］显示了特定器件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，可以支持许多应用，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，则可以在数据手册中找到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，在较低电源电压下性能可能会下降，因此请仔细查看所用电源电压的数据手册测试条件。数据手册以不同的方式显示测试条件，包括脚注、数据手册中的一列和/或表格标题。一些数据手册用图表补充了表格条目，这些图表显示了性能如何随电压或温度变化。

在电池供电应用中，了解电池工作电压范围内的性能对于成功的设计至关重要。如果您的应用需要的电源电压低于数据手册所示的ADC参数，请检查应用最小电源下的性能，以了解其是否满足您的性能要求。

当电源变化时，例如直接电池连接，某些参数值可能会在整个电源电压范围内发生变化。电源抑制比（PSRR）是一种衡量标准，但也要寻找具有单位*/V电源的任何参数。

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。某些ADC可能会进行子稳压（例如，使用内部LDO），以始终具有独立于器件电源的相同电压电源。

时钟。MCU中的ADC通常具有可配置的时钟源。时钟抖动越高，非直流信号的信噪比 （SNR） 越低。内部振荡器通常具有最高的抖动，而外部时钟具有最低的抖动。内部振荡器是低电流和低成本解决方案的首选，只要抖动不会降低低于所需性能的性能。MCU数据手册通常没有规定内部时钟的抖动。可以容忍的抖动量取决于应用。您将需要更多详细信息来了解如何为您的应用选择合适的时钟，我们将在第 2 部分中介绍。

引用。大多数MCU ADC提供内部基准电压源，或支持使用外部基准电压源。外部基准提供更高的性能，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，以帮助您为应用选择正确的参考源。

无论选择哪种基准电压源，如果集成ADC支持输入基准电压的范围，那么了解基准电压电平如何影响性能非常重要。选择较低的基准电压可减小最低有效位（LSB）的大小，从而减小整体（满量程）范围，从而解决较小的电压变化。通过基准电压电平的信号降低会影响性能，如公式1所示：

其中SIGNAL是小于或等于基准电压的满量程ADC输入。

图2显示了SNR如何随着基准电压的降低而降低。在相同的噪声下，当信号较小时（在基准电压较低的情况下），SNR较低。因此，为了最大限度地提高性能，请记住ADC的全动态范围;如有必要，对ADC输入进行预调理或放大，以使用整个ADC动态范围。

在无法使用放大器的情况下，请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的基准电压源可用，则与直接使用2V基准测量1.9V相比，将输入放大2倍并使用4V基准将提供更好的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。

结论

第一部分重点介绍了影响ADC性能的不同配置和组件。配置因设备而异，在做出组件决策时，您需要了解这些配置。然而，除了配置之外，还有一些ADC的基本组件需要更详细地探索，这些组件与所有MCU相关。在第2部分中，我们将探讨ADC时钟和基准电压源选项。

审核编辑：郭婷