輸入電壓后ADC的輸出有所不同是怎么回事

這個(gè)情景真的令人很沮喪：你終于將模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 搭建起來(lái)并開(kāi)始運(yùn)行，不過(guò)事情看起來(lái)有點(diǎn)兒不太正常。你輸入了一個(gè)電壓，不過(guò)ADC的輸出有所不同。

出了什么問(wèn)題？

看起來(lái)所有的設(shè)置都沒(méi)有什么問(wèn)題。有可能是通信問(wèn)題，或者是你的ADC沒(méi)有正確地測(cè)量模擬輸入。

調(diào)試測(cè)量問(wèn)題的最好工具是低噪聲電壓源和精密萬(wàn)用表，如圖1所示。使用這個(gè)電壓源作為ADC的輸入信號(hào)，而高精度萬(wàn)用表測(cè)量ADC的輸入和基準(zhǔn)，你可以將預(yù)計(jì)的結(jié)果與ADC報(bào)告值相比較。只需確保輸入電壓以輸入范圍內(nèi)的一個(gè)DC電壓為基準(zhǔn)。

需牢記的一點(diǎn)是，ADC測(cè)量輸入，并且輸出一個(gè)轉(zhuǎn)換代碼，這個(gè)代碼與輸入和基準(zhǔn)的比成比例。如果你使用的是一個(gè)具有±VREF 兩級(jí)范圍的24位ADC，輸出數(shù)據(jù)由方程式1確定：

你可以在滿量程范圍內(nèi)獲得數(shù)個(gè)模擬輸入測(cè)量值，并且比較預(yù)計(jì)輸出代碼與ADC的報(bào)告值。通過(guò)使用這些數(shù)據(jù)，你可以計(jì)算結(jié)果值的偏離程度。你還可以確定這個(gè)誤差是增益誤差還是偏移誤差。只要確保直接在器件的輸入引腳上測(cè)量信號(hào)，獲得一個(gè)準(zhǔn)確的萬(wàn)用表讀數(shù)。

如果差異比較小，那么ADC也許只需校準(zhǔn)一下就可以了。高精度ADC通常需要一個(gè)校準(zhǔn)命令來(lái)消除偏移和增益誤差。

也許你嘗試增加輸入電壓，但是ADC代碼并沒(méi)有移動(dòng)。由于輸入緩沖器限制了信號(hào)，有可能運(yùn)行范圍在輸入范圍之外。例如，24位，30kSPS ADS1255內(nèi)的輸入緩沖器在底端擴(kuò)展至GND，在頂端擴(kuò)展至AVDD -2V。

對(duì)于其它器件（比如說(shuō)24位、2kSPS ADS1220），緩沖器是一個(gè)完全模擬可編程增益放大器 （PGA）。在這些情況下，你需要考慮PGA增益，輸入和輸出共模范圍，或者PGA也許會(huì)限制你的測(cè)量。

圖2顯示的是，ADS1220數(shù)據(jù)表內(nèi)描述這些限制的PGA共模電壓要求部分的PGA圖。

另外一個(gè)潛在的誤差源有可能位于輸入濾波內(nèi)，大輸入串聯(lián)電阻會(huì)與輸入偏置電流相互作用，增加測(cè)量值中的電壓誤差。此外，使用截止頻率過(guò)低的輸入濾波會(huì)干擾ADC的采樣屬性。對(duì)于每個(gè)模塊化時(shí)鐘，用一個(gè)輸入電容器對(duì)輸入和基準(zhǔn)進(jìn)行采樣。這個(gè)采樣必須在模塊時(shí)鐘周期內(nèi)完成。由于輸入被定期采樣和放電，輸入路徑中的電感會(huì)由于定期采樣而導(dǎo)致電壓誤差。

與模擬輸入相類(lèi)似，你需要對(duì)基準(zhǔn)輸入采取相似的操作。大輸入阻抗將導(dǎo)致相似誤差。

驗(yàn)證基準(zhǔn)是否正確運(yùn)行也很重要。例如，24位，2kSPS ADS1248的內(nèi)部基準(zhǔn)需要1μF和47μF之間的負(fù)載電容。此外，VREFCOM引腳到AC接地節(jié)點(diǎn)路徑的電阻必須小于10W。如果不滿足這兩個(gè)條件，基準(zhǔn)會(huì)變得不穩(wěn)定。外部基準(zhǔn)會(huì)有相似的穩(wěn)定性問(wèn)題。這些不常見(jiàn)的誤差也許用萬(wàn)用表無(wú)法檢測(cè)出來(lái)，有可能需要示波器才能追蹤到。

在高集成器件中，比如說(shuō)ADS1248，很多功能是在特定情況下使用的。如果使用這些選項(xiàng)不當(dāng)，它們會(huì)干擾測(cè)量值。

圖3顯示的是ADS1248的方框圖。紅圈內(nèi)的功能塊在接通但未使用時(shí)有可能干擾測(cè)量值。

模擬與數(shù)字部分的不當(dāng)接地會(huì)導(dǎo)致電路中的接地環(huán)路電壓。這會(huì)干擾輸入信號(hào)以及基準(zhǔn)電壓。良好的布局布線能夠減少測(cè)量值中的這些誤差。ADC周?chē)钠渌娐?，諸如泄露的靜電放電 （ESD） 二極管或外部緩沖器，也會(huì)引入誤差。

當(dāng)ADC的測(cè)量值不太對(duì)時(shí)，良好的調(diào)試可以幫助你確定到底是哪里出了問(wèn)題。等下次你的ADC無(wú)法給出正確結(jié)果時(shí)，就試試我在本文中所談到的常見(jiàn)誤差源吧。

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