時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓源選擇

在本系列的第1部分中，我們介紹了數(shù)據(jù)手冊(cè)中嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）性能可能不代表您的應(yīng)用的原因。這些原因包括：在芯片系統(tǒng)（SoC）的其余部分安靜時(shí)對(duì)ADC進(jìn)行表征，考慮整個(gè)信號(hào)鏈，而不僅僅是隔離的ADC（因?yàn)?a target="_blank">運(yùn)算放大器會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，降低轉(zhuǎn)換的ADC輸出），以及一些影響性能的配置主題。在本期中，我們將分享其他詳細(xì)信息，以幫助您為應(yīng)用選擇正確的時(shí)鐘和正確的參考。

時(shí)鐘選擇

時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)影響ADC對(duì)非直流信號(hào)的信噪比（SNR）。較高的SNR意味著信號(hào)更多，噪聲更少（從而獲得更好的性能）。時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致采樣時(shí)間出現(xiàn)偏差。如果與采樣率相比，這種偏差很小，那么它對(duì)性能的影響不大。但輸入信號(hào)頻率越高，抖動(dòng)越低SNR。公式1顯示了計(jì)算所需ADC性能（SNR）的最大抖動(dòng)的關(guān)系：

圖 1 以圖形方式顯示了這種影響，并提供了一些示例數(shù)字。

理想情況下，數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)列出每個(gè)時(shí)鐘源的抖動(dòng)，但這種情況很少見(jiàn)，或者數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)有提供計(jì)算目標(biāo)抖動(dòng)所需的所有信息。最低抖動(dòng)性能始終存在于外部晶體中，但如果系統(tǒng)的其他部分不需要晶體，則成本會(huì)增加。外部晶體還需要額外的功率和更長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間（這降低了通過(guò)占空比ADC及其貢獻(xiàn)IP（可能包括時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓源）而節(jié)省的功耗）。表1總結(jié)了典型的時(shí)鐘源選項(xiàng)以及與每個(gè)選項(xiàng)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)和成本。有關(guān)時(shí)鐘抖動(dòng)的更深入探討，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn) [1] 和 [2]。

表 1：時(shí)鐘源選項(xiàng)

基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓有兩個(gè)主要部分會(huì)影響ADC性能：精度和電壓。我們?cè)诒鞠盗械牡?部分中討論了基準(zhǔn)電壓的影響。我們還將關(guān)注這部分的準(zhǔn)確性。

準(zhǔn)確性取決于您使用的參考。對(duì)于集成在MCU上的ADC，基準(zhǔn)選項(xiàng)可能包括（按精度遞增的順序）：電源、內(nèi)部基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)（單獨(dú)的芯片）。

作為基準(zhǔn)電壓源的電源是電流最低的選項(xiàng)，但通常噪聲更大，因?yàn)樗鼮?a target="_blank">數(shù)字電路（具有開(kāi)關(guān)噪聲）供電。減輕或保護(hù)模擬電源免受數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲影響的一種常用技術(shù)是在模擬電源和數(shù)字電源之間使用濾波器（如果有單獨(dú)的引腳）。類似地，為了將電源上的噪聲與基準(zhǔn)電壓源隔離開(kāi)來(lái)，可以使用鐵氧體磁珠（無(wú)源電元件）和去耦濾波器將外部電源連接到ADC的外部基準(zhǔn)引腳，以降低噪聲，如圖1所示。鐵氧體磁珠是隔離噪聲的常用做法，尤其是在模擬和嘈雜的開(kāi)關(guān)數(shù)字MCU電源引腳之間。

基準(zhǔn)電壓源[3]提供了鐵氧體磁珠使用的詳細(xì)情況，雖然它是圍繞鎖相環(huán)（PLL）編寫的，但它也適用于ADC。此外，用于ADC基準(zhǔn)電壓源的電源通常不能與電池直接連接，因?yàn)殡妷簳?huì)在電池的使用壽命內(nèi)衰減。您必須知道ADC基準(zhǔn)電壓才能計(jì)算ADC的轉(zhuǎn)換電壓。

內(nèi)部基準(zhǔn)通常提供比電源更低的噪聲，但代價(jià)是電流消耗增加。即使如上所述，電源經(jīng)過(guò)濾波并施加到外部基準(zhǔn)路徑，內(nèi)部基準(zhǔn)通常也是低噪聲選項(xiàng)。

ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果具有意義，因?yàn)闇y(cè)量是從基準(zhǔn)電壓源的角度進(jìn)行的。如果參考的精度較差，則轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度將較差。在嵌入式工藝中，不僅要提供精確的基準(zhǔn)電壓源，而且要提供在寬溫度范圍內(nèi)精確的基準(zhǔn)電壓源，這是考慮使用外部基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)很好的理由。

外部基準(zhǔn)電壓源具有更好的精度和更低的溫度系數(shù)/漂移，這通常是選擇基準(zhǔn)電壓源時(shí)的兩個(gè)主要決策因素。外部基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為百萬(wàn)分之一/攝氏度，而集成 MCU 基準(zhǔn)電壓源的范圍為 25 ppm/°C 至 50 ppm/°C。

表2概述了內(nèi)部（集成）和外部基準(zhǔn)之間的優(yōu)勢(shì)和成本?；鶞?zhǔn)電壓源 [4] 詳細(xì)介紹了如何選擇基準(zhǔn)電壓源以及誤差和精度計(jì)算示例。

表 2：ADC 基準(zhǔn)電壓源選擇選項(xiàng)

通常，您將使用滿足性能需求的最便宜或最低功耗的基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)。要查看所需的性能，請(qǐng)考慮以下四個(gè)主要參考誤差因素：

精度 – 電壓變化。

溫度系數(shù) – 電壓隨溫度漂移的程度。對(duì)于溫度范圍，請(qǐng)使用產(chǎn)品的溫度規(guī)格。

電源抑制比 （PSRR） – 基準(zhǔn)電壓在應(yīng)用使用的器件電源范圍內(nèi)的變化程度。如果您的應(yīng)用對(duì)MCU施加穩(wěn)壓，則此值很小（電源中的紋波）。

負(fù)載調(diào)整率 – 如果基準(zhǔn)電壓源僅進(jìn)入ADC，則可以忽略負(fù)載調(diào)整率。如果沒(méi)有，請(qǐng)使用用于ADC基準(zhǔn)電壓源的電壓源的總負(fù)載。

您可以使用表 3 中的計(jì)算示例來(lái)幫助您計(jì)算所需的值。

表 3：計(jì)算示例

使用外部基準(zhǔn)電壓源在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提高直流基準(zhǔn)精度有兩種選擇：

校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是一個(gè)多步驟的過(guò)程，需要在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。在生產(chǎn)中，創(chuàng)建一個(gè)查找表（如果溫度范圍較小，則創(chuàng)建一個(gè)查找表）來(lái)確定實(shí)際基準(zhǔn)電壓（一些設(shè)備制造商實(shí)際上在器件生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量此電壓并將其存儲(chǔ)在片上），并在軟件中使用基準(zhǔn)電壓來(lái)校正原始ADC代碼或針對(duì)不準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓調(diào)整ADC結(jié)果。等式2是校正等式：

其中VREF是理想的ADC基準(zhǔn)電壓，measured_VREF是測(cè)得的ADC基準(zhǔn)電壓。

如果要對(duì)溫度進(jìn)行校正，則需要在ADC測(cè)量時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量，以了解在查找表中使用哪個(gè)測(cè)量的基準(zhǔn)電壓值。表3顯示了一些不同的參考參數(shù)和校準(zhǔn)選項(xiàng)，可用于改進(jìn)精度和溫度漂移的參數(shù)。

比率測(cè)量。在用于激勵(lì)傳感器的電壓與ADC基準(zhǔn)電壓相同的應(yīng)用中，該測(cè)量稱為比率測(cè)量。通過(guò)使用相同的電壓激勵(lì)傳感器并提供ADC基準(zhǔn)電壓，電壓中的任何誤差都將被抵消。對(duì)于比率測(cè)量，您可以使用外部基準(zhǔn)，也可以使內(nèi)部基準(zhǔn)在設(shè)備外部可用。當(dāng)電流源用于激勵(lì)傳感器時(shí)，您還可以進(jìn)行比率測(cè)量，電阻位于正負(fù)ADC基準(zhǔn)電壓引腳之間，激勵(lì)電流通過(guò)該電阻。參考文獻(xiàn) [5] 討論了使用電阻溫度檢測(cè)器 （RTD） 進(jìn)行比率測(cè)量的示例。

結(jié)論

時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓源是影響ADC性能的兩個(gè)關(guān)鍵元件。在評(píng)估數(shù)據(jù)手冊(cè)性能并與實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行比較時(shí)，了解所選基準(zhǔn)電壓源和時(shí)鐘源的差異非常重要。

前兩部分重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)手冊(cè)與實(shí)際設(shè)計(jì)之間存在差異的原因，突出了測(cè)試條件和配置的重要性。接下來(lái)的兩期將介紹如何構(gòu)建解決方案（印刷電路板），以符合更好地了解數(shù)據(jù)手冊(cè)帶來(lái)的新期望。

審核編輯：郭婷