STM32 ADC应用中信号源特性对转换结果的影响

只看该作者 · 2020-8-6 19:14

本帖最后由香水城于 2020-9-4 12:11 编辑

STM32家族中的所有芯片都内置了逐次逼近寄存器型ADC模块.内部大致框架如下:

每次ADC转换先进行采样保持，然后分多步执行比较输出，步数等于ADC的位数，每个ADC时钟产生一个数据位。说到这里，用过STM32 ADC的人是不是想到了参考手册中关于12位ADC转换时间的公式：

ST官方就如何保障或改善ADC精度写了一篇应用笔记AN2834。该应用笔记旨在帮助用户了解ADC误差的产生以及如何提高ADC的精度。主要介绍了与ADC设计的相关内容，比如外部硬件设计参数，不同类型的ADC误差来源分析等，并提出了一些如何减小误差的设计上建议。

这里我摘取部分内容，结合个人的理解加以整理与大家分享。更多细节可以去www.st.com搜索AN2834下载细看。

当我们在做STM32的ADC应用遇到转换结果不如意时，常有人提醒或建议你对采样时间或外部采样电路做调整。这里调整的最终目的就是让信号进入ADC模块的充电时间与内部采样时间匹配，保证采得的电压尽量真实，最终得到符合精度要求的转换结果。下面就聊聊相关话题。

一、模拟信号源阻抗的影响

在做ADC操作时，在信号源与ADC引脚之间，或者说在串行电阻RAIN与ADC引脚AIN之间总有电流流过，自然会产生压降。内部采样电容CADC的充电由阻容网络中的开关和RADC控制。
显然，对CADC有效的充电由【RADC +RAIN】控制，充电时间常数是tc = (RADC + RAIN) ×CADC。不难理解如果采样时间小于CADC通过RADC +RAIN充电的时间，即ts < tc，则ADC转换得到的数值会小于实际数值。
可以看出，随着电阻(RADC+RAIN)的增加，对保持电容的充电时间也需要相应增加。对于STM32而言，RADC是内部的采样开关电阻，阻值相对固定，具体数值在芯片的数据手册里有给出。所以，这里真正可能变动的电阻就是信号源电阻RAIN了，它的变化影响充电常数，进而影响到芯片内部采样时间的选择。
注：tc是电容CADC充电完全的时间，此时Vc = VAIN（最大1/2LSB 误差）
Vc：采样电容CADC上的电压
tc = (RADC + RAIN) × CADC 【CADC的值也是相对固定的】

二、信号源的容抗与PCB分布电容的对ADC的影响
做ADC时，除了考虑信号源端的电阻外，还需要考虑信号源本身容抗和在模拟输入端的分布电容(参见下图)。信号源的电阻和电容构成一个阻容网络，如果外部的电容(CAIN +Cp)没能完全充电至输入信号电压，ADC转换的结果显然是不准确的。(CAIN + Cp)的值越大，信号源的频率也就越受限制。(信号源上的外部电容和分布电容分别用CAIN和Cp表示。)

当外部电路的电容没有被模拟信号源完全充电的情况下，模拟输入信号电压与模拟输入脚的电压VAIN就不相同。如果模拟输入信号产生变化，它的变化频率(FAIN)的周期至少应该满足10RC原理，即10 × RAIN × (CAIN +Cp)。
TAIN = 模拟信号的周期 =1/FAIN
因为：TAIN ≥ 10 x RAIN x (CAIN + CP)
因此：FAIN ≤ 1 / [10 x RAIN x (CAIN+ CP)]
假如：RAIN = 25kΩ，CAIN = 7pF，CP = 3pF，则：
FAINmax = 1 / [10 x 25x103 x (7 +3)x10-12]
即信号源的最高频率FAIN（max）= 400kHz。
对于上述给出的信号源特性(容抗与阻抗)，它的频率不能超过400kHz，否则ADC的转换结果将是不准确的。

三、模拟信号源的阻抗估算
上面聊了信号源阻抗和AD输入端的电容对ADC的影响，在这个基础上来看下最大允许信号源阻抗的估算。假定最大允许的误差是1/2 LSB。
参照上面的图9中的描述，假定此时输入端不存在输入信号充电不充分的情况。

这样得到误差 = VAIN – Vc 【Vc为内部采样电容CADC上的电压】

这里tS是采样时间。
tS = TS / fADC，其中TS是以ADC时钟周期为单位的采样时钟个数。
对于给定的tS，对应VAIN = VREF+的误差要大于对应VAIN< VREF+时的误差，这是因为把CADC从0V充电至VAIN，VAIN = VREF+时需要比在VAIN < VREF+时需要更多的充电时间。因此VAIN = VREF+时是计算最大允许信号源阻抗时需要考虑的最坏情况，此时误差为1/2LSB.

Rmax = (RAIN + RADC)max
这里N 是 ADC 分辨率 12

我们可以进一步得到：

以STM32F103芯片为例，如果这里Ts=7.5, fADC=14MHz,Cadc=12pF,RadcMax=1K,在误差为1/2LSB时的最大允许信号源阻抗为：RAIN(max) = 6.4 k

通过上面的分析，我们可以得知选择较长的采样时间或较慢的ADC时钟，能保障更好的转换效果。或者通过降低ADC时钟频率、选择较长采样时间或选择较低的分辨率，可以容许更大的外部信号源阻抗。
注：如果使用跟随放大器可以减小信号源的阻抗效应，因为放大器的高输入阻抗和非常低的输出阻抗把RAIN与RADC隔离开来。当然，放大器自身引入的偏移误差也应加以注意和考虑。

上面提到的RadcMax、Cadc参数在芯片数据手册的ADC特性表格里，我把STM32F103的截图如下。好，先就聊到这里。整个完整应用笔记请前往官网搜索AN2834，其中有不少关于提高或改善ADC精度的建议,比如关于电源的处理等。