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ADC采集部分,真的設(shè)計(jì)對(duì)了嗎?

由于SAR ADC 采樣(單片機(jī)內(nèi)部ADC一般是該形式)對(duì)于信號(hào)的輸入電阻是有明確要求的,對(duì)于一個(gè)具體的ADC,其采樣電阻 RADC 與采樣電容 CADC 已經(jīng)不可更改(在器件內(nèi)部),當(dāng) ADC 的采樣時(shí)鐘,采樣周期等可配置參數(shù)配置完畢時(shí),則外部信號(hào)的輸入阻抗則是有一個(gè)最大值的要求, 即公式

配置的不同的采樣周期所對(duì)應(yīng)的最大輸入電阻,在對(duì)應(yīng) MCU 型號(hào)datasheet 中會(huì)給出,用戶也可根據(jù)公式與實(shí)際情況自行計(jì)算。

下圖為為 GD32 一款 MCU 在開啟 ADC 采樣時(shí),在輸入電容 CIN上采到的電壓信號(hào)波形??梢钥闯觯诓蓸娱_關(guān) SW 閉合后,電壓會(huì)顯著掉下來(lái),但是只要采樣時(shí)間和信號(hào)輸入阻抗?jié)M足我們手冊(cè)要求,那么在采樣時(shí)間得到滿足后電壓就可以恢復(fù)到與實(shí)際信號(hào)電壓相差 0.5LSB以內(nèi)。


接下來(lái)我們?cè)倏紤]一種極端情況,當(dāng)信號(hào)源的輸入電阻要求已經(jīng)明顯不滿足手冊(cè)要求了,我們可以采用什么方法?

 按如下舉例:

在實(shí)際使用中,會(huì)經(jīng)常有采樣鋰電池電壓的需求。由于鋰電池的電壓往往會(huì)高于 MCU ADC 的采樣電壓(ADC 的采樣范圍為 VSSA 到VREF+),因此用戶會(huì)經(jīng)常采用兩個(gè)電阻分壓,然后將分壓結(jié)果送進(jìn) ADC 通道進(jìn)行采樣。對(duì)于鋰電池供電應(yīng)用,客戶對(duì)于功耗往往有嚴(yán)苛要求,因此,如下圖所示的鋰電池電壓采樣電路的這兩個(gè)分壓電阻往往會(huì)被設(shè)置的很大,以減小無(wú)謂功耗(流過(guò)分壓電阻的電流)。

上圖中,假設(shè)鋰電池電壓為 24V, R2 = 1M 歐姆, R1 = 9M 歐姆,則進(jìn)入 ADC 通道的電壓為2.4V,在 ADC 的采樣范圍之內(nèi),無(wú)謂功耗取電池電壓除以 R1 與 R2 的和,此時(shí)浪費(fèi)的額外無(wú)謂功耗僅為 2.4uA,看起來(lái)很美好,但我們來(lái)計(jì)算一下這個(gè)分壓電路的輸出阻抗,該電路的輸出阻抗為 R1 與 R2 電阻的并聯(lián),結(jié)果為 0.9M 歐姆。參考下 GD32F150x 芯片手冊(cè)關(guān)于 RAIN與采樣周期的表格,如下:

顯然在 ADC 采樣時(shí)鐘為 14MHz 的情形下, 當(dāng)采樣周期設(shè)到最大239.5 個(gè)周期時(shí),允許的最大輸入阻抗為 219.9k 歐姆。0.9M 歐姆遠(yuǎn)大于219.9k,因此,由于采樣時(shí)間無(wú)法配置為更大,此時(shí) MCU 的 ADC 采樣已無(wú)法做到精確采樣了。

此時(shí),我們有幾種方法來(lái)改善此種情況下的 ADC 采樣:
  • 如果電路仍然可以修改的情況下,建議添加一個(gè)運(yùn)放跟隨電路(輸入阻抗大,輸出阻抗?。?,實(shí)現(xiàn)阻抗匹配; 
  • 如果對(duì)于采樣率沒(méi)有要求的情況下,我們可以降低 ADC 的采樣時(shí)鐘,變相提高采樣時(shí)間來(lái)使得采樣電容充電到正確電位;
  • 在功耗要求可以放寬時(shí),我們可以同比例縮小 R1, R2 這兩個(gè)電阻,比如 R1 = 900k, R2 =100k,此時(shí)該分壓電路的輸出阻抗變?yōu)?90k(900K并聯(lián)100K), 配置合適的采樣周期,已經(jīng)能夠滿足 ADC 的阻抗要求;
結(jié)論:

對(duì)于 SAR ADC 在采樣時(shí)間內(nèi),采樣電容上的電壓必須被充分充放電,其被充電的電壓值與外部輸入電壓之間的差值不應(yīng)超過(guò) 0.5LSB,否則無(wú)論后級(jí) ADC 性能如何卓越,都無(wú)法真實(shí)反映信號(hào)的幅值。特別的,當(dāng) ADC 工作在連續(xù)采樣或者掃描采樣時(shí),如果由于輸入阻抗過(guò)大,且未被及時(shí)修正時(shí),輸入阻抗過(guò)大通道的采樣結(jié)果會(huì)受前一個(gè)采樣通道信號(hào)的影響,通過(guò)增大采樣時(shí)間以滿足輸入阻抗的影響會(huì)顯著改善這個(gè)現(xiàn)象。

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