一、ADC的类型
常见的 ADC 有以下几种类型：
- Σ-Δ ADC：一些对精度要求极高的单片机，如用于高精度测量仪器、音频处理等领域的单片机，会采用 Σ-Δ ADC。例如，TI 的 MSP430 系列单片机中的部分型号就集成了 Σ-Δ ADC，可用于高精度的传感器信号采集和音频信号处理等。
- 积分型 ADC：在一些对成本敏感、对转换速度要求不高的低功耗单片机应用中，如智能电表、便携式测量设备等，可能会采用积分型 ADC。例如，Microchip 的 PIC12F 系列中的某些型号就带有积分型 ADC，适用于此类低速、低功耗的场景。
- SAR ADC： 采用逐次比较逼近的方法将模拟信号转换为数字信号。转换过程类似于用天平称重，从最高位开始，将输入模拟电压与内部 DAC（数模转换器）产生的参考电压进行比较。如果输入电压大于参考电压，该位记为 1，并保留这个参考电压；如果输入电压小于参考电压，该位记为 0，并舍弃这个参考电压。然后依次对下一位进行同样的比较操作，直到最低位比较完成，最终得到与输入模拟信号对应的数字代码。
意法半导体 STM32F103 系列、瑞萨 RA 系列等单片机均内置了 SAR ADC，所以今天我们的主人公就是SAR ADC。
二、SAR ADC原理
逐次比较 ADC(SARADC)，顾名思义是通过输入信号与参考源电压进行逐阶比较，实现模拟信号转换为数字信号。
SAR ADC的转换过程分为两个阶段:采样阶段和转换阶段。
- 采样阶段:SW1 闭合，SW2 断开，Vin通过内部RADC对电容CADC充电。
- 转换阶段:SW1 断开，SW2 闭合，采样电容上的电压(理想情况为Vin)与1/2*Vref进行比较，如果Vin≥-*VREF，则最高位置 1，同时 DAC 输入下一个比较值3/4*VREF，Vin再与3/4*VREF比较确定次高位的值。根据比较结果再输出 DAC 值，进行比较，最后得出转换值。
三、SAR ADC固有误差
- 偏置误差Eo：偏置误差是指当转换值为 1 时，实际输入模拟量与理论输入模拟量的差值。偏置误差可为正，也可为负。
- 微分非线性误差ED：微分非线性误差是指在转换值变化 1，实际模拟量步长与 1LSB 之间的最大差值。En=实际模拟变化-1 LSB
- 积分非线性误差EL:积分非线性误差是指在实际模拟量与实际转换曲线之间的最大偏差值。
- 总未调整误差ET:总未调整误差是指实际模拟量与理想转换曲线之间的最大误差值。
- 增益误差ED:增益误差是指最后一次转换实际模拟量与理论模拟量之间的误差值。
三、SAR ADC外部误差来源及解决办法
由于SAR ADC的原理是通过将输入信号与参考电压进行比较从而获得转换结果,所以Vref对ADC精度影响非常大。
参考源电压范围：
1.高于输入信号最高电压，低于等于 ADC 电源电压。
参考源电压高于输入信号电压，才能准确测量到输入信号的极值。低于等于ADC 电源电压，防止参考电压源对 ADC 电源形成电流倒。
2.尽量接近输入信号范围。
参考源电压范围接近输入信号范围，最大程度提高理论精度。
例如:对于一个 12 bit 的 ADC，输入信号范围为 0~1.8 V。
如果参考电源电压选择为 3.3V，则1LSB=3= 33=0.81 mV，在这种情况下，理论上能够实现0.81 mV 的精度。
如果参考电源电压选择为 2.0V，则1 LSB== 2 -0.49 mV，在这种情况下，理论上能够实现0.49 mV 的精度。
参考源精度:
问题，12bit ADC，参考源精度为1%，能否满足1 LSB的精度要求？
输入信号为2.5V，参考电压为3.3V，转换后的值为2.5/3.3*4096=3103=0xC1F
若参考电压精度为1%，即3.3*99%=3.267V,转换后的值为2.5/3.267*4096=3134=0xC3E
Code=0xC3E-0xC1F=31 LSB。所以12bit ADC，参考源精度为1%，不能满足1 LSB的精度要求。
在高精度的场合，往往需要使用高精度电压基准IC为 ADC 提供参考源。
参考源噪声：
在 ADC转换过程中，ADC内部电容切换以及充电过程会导致输入尖峰电流，这些尖峰电流会导致参考源电压出现尖峰，从而影响 ADC的来样精度，尤其当输入信号较大时，参考源噪声影响更明显。所以减**源电压的噪声至关重要。
优化建议：
- 一方面可选择低噪声 LD0 或电压基准作为 ADC 参考源。
- 芯片参考源就近处配置低 ESR 的陶瓷电容，进行噪声抑制,同时为参考源提供就近储能。
- PCB layout时，保证参考电源回路尽量小，并且与数字地分割，采用单点接地，与模拟电源地使用同一地平面。储能和去耦电容尽量靠近电源引脚。
电源的选择DCDC还是LDO：
前面讨论了参考源噪声对于 ADC 精度的影响，实际上“干净”的 ADC 供电电源对于 ADC 也是至关重要。
电源噪声一方面可能影响 ADC内部电路，也可能传导到参考源或则输入信号，导致采样误差。
DC-DC 电源:DC-DC 电源以开关形式传递能量，其拓扑中存在高频的开关信号，同时伴随对电感、输出电容充放电。开关信号有可能在电源输出或地平面感应出尖峰脉冲，而电感、输出电容充放电过程会导致输出电压有较明显文波。这些都可以视为来自电源的噪声。
线性 LDO:线性 LD0 是基于线性环路控制，无开关信号，不会产生尖峰脉冲，且文波较小。具备较高电源抑制比(PSRR)和低噪声的 LDO 是理想的模拟电源供电方案。
优化建议:
- 对于为模拟模块供电的电源，最好使用具有高 PSRR 及低噪声的 LDO，避免直接使用开关电源供电从而引入较大尖峰脉冲和纹波。
- 同样，MCU 也要求在模拟电源引脚附近配置低 ESR 的陶瓷电容进行去耦和储能。
|
楼主
标题置顶
标题高亮
