ESP32-S3 ADC架構(gòu)外設(shè)的深入分析

逐次逼近寄存器型(SAR)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)是采樣速率低于5Msps (每秒百萬(wàn)次采樣)的中等至高分辨率應(yīng)用的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。SAR ADC的分辨率一般為8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使該類型ADC具有很寬的應(yīng)用范圍，例如便攜/電池供電儀表、筆輸入量化器、工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號(hào)采集等。

顧名思義，SAR ADC實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)一種二進(jìn)制搜索算法。所以，當(dāng)內(nèi)部電路運(yùn)行在數(shù)兆赫茲(MHz)時(shí)，由于逐次逼近算法的緣故，ADC采樣速率僅是該數(shù)值的幾分之一。

盡管實(shí)現(xiàn)SAR ADC的方式千差萬(wàn)別，但其基本結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單(見(jiàn)圖1)。模擬輸入電壓(VIN)由采樣/保持電路保持。為實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法，N位寄存器首先設(shè)置在中間刻度(即：100... .00，MSB設(shè)置為1)。

這樣，DAC輸出(VDAC)被設(shè)為VREF/2，VREF是提供給ADC的基準(zhǔn)電壓。然后，比較判斷VIN是小于還是大于VDAC。如果VIN大于VDAC，則比較器輸出邏輯高電平或1，N位寄存器的MSB保持為1。相反，如果VIN小于VDAC，則比較器輸出邏輯低電平，N位寄存器的MSB清0。

隨后，SAR控制邏輯移至下一位，并將該位設(shè)置為高電平，進(jìn)行下一次比較。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到LSB。上述操作結(jié)束后，也就完成了轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換結(jié)果儲(chǔ)存在寄存器內(nèi)。

圖1. 簡(jiǎn)單的N位SAR ADC架構(gòu)

圖2給出了一個(gè)4位轉(zhuǎn)換示例，y軸(和圖中的粗線)表示DAC的輸出電壓。本例中，第一次比較表明VIN< VDAC。所以，位3置為0。然后DAC被置為01002，并執(zhí)行第二次比較。

由于VIN> VDAC，位2保持為1。DAC置為01102，執(zhí)行第三次比較。根據(jù)比較結(jié)果，位1置0，DAC又設(shè)置為01012，執(zhí)行最后一次比較。最后，由于VIN> VDAC，位0確定為1

圖2. SAR工作原理(以4位ADC為例)

注意，對(duì)于4位ADC需要四個(gè)比較周期。通常，N位SAR ADC需要N個(gè)比較周期，在前一位轉(zhuǎn)換完成之前不得進(jìn)入下一次轉(zhuǎn)換。由此可以看出，該類ADC能夠有效降低功耗和空間，當(dāng)然，也正是由于這個(gè)原因，分辨率在14位至16位，速率高于幾Msps (每秒百萬(wàn)次采樣)的逐次逼近ADC極其少見(jiàn)。一些基于SAR結(jié)構(gòu)的微型ADC已經(jīng)推向市場(chǎng)。

SAR ADC的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是：功耗隨采樣速率而改變。這一點(diǎn)與閃速ADC或流水線ADC不同，后者在不同的采樣速率下具有固定的功耗。這種可變功耗特性對(duì)于低功耗應(yīng)用或者不需要連續(xù)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用非常有利(例如，用于PDA 數(shù)字轉(zhuǎn)換器)。

SAR的深入分析

SAR ADC的兩個(gè)重要部件是比較器和DAC，稍后我們可以看到，圖1中采樣/保持電路可以嵌入到DAC內(nèi)，不作為一個(gè)獨(dú)立的電路。

SAR ADC的速度受限于：

DAC的建立時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)必須穩(wěn)定在整個(gè)轉(zhuǎn)換器的分辨率以內(nèi)(如：? LSB)

比較器，必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠分辨VIN與VDAC的微小差異

邏輯開(kāi)銷

DAC

DAC的最大建立時(shí)間通常取決于其MSB的建立時(shí)間，原因很簡(jiǎn)單，MSB的變化代表了DAC輸出的最大偏移。另外，ADC的線性也受DAC線性指標(biāo)的限制。因此，由于元件固有匹配度的限制，分辨率高于12位的SAR ADC常常需要調(diào)理或校準(zhǔn)，以改善其線性指標(biāo)。雖然這在某種程度上取決于處理工藝和設(shè)計(jì)，但在實(shí)際的DAC設(shè)計(jì)中，元件的匹配度將線性指標(biāo)限制在12位左右。

許多SAR ADC采用具有固有采樣/保持功能的電容式DAC。電容式DAC根據(jù)電荷再分配的原理產(chǎn)生模擬輸出電壓，由于這種類型的DAC在SAR ADC中很常用，所以，我們最好討論一下它們的工作原理。

電容式DAC包括一個(gè)由N個(gè)按照二進(jìn)制加權(quán)排列的電容和一個(gè)“空LSB”電容組成的陣列。圖3是一個(gè)16位電容式DAC與比較器相連接的范例。采樣階段，陣列的公共端(所有電容連接的公共點(diǎn)，見(jiàn)圖3)接地，所有自由端連接到輸入信號(hào)(模擬輸入或VIN)。采樣后，公共端與地?cái)嚅_(kāi)，自由端與VIN斷開(kāi)，在電容陣列上有效地獲得了與輸入電壓成比例的電荷量。然后，將所有電容的自由端接地，驅(qū)動(dòng)公共端至一個(gè)負(fù)壓-VIN。

圖3. 16位電容式DAC示例

作為二進(jìn)制搜索算法的第一步，MSB電容的底端與地?cái)嚅_(kāi)并連接到VREF，驅(qū)動(dòng)公共端電壓向正端移動(dòng)?VREF。

因此，VCOMMON= -VIN+ ? × VREF

如果VCOMMON< 0 (即VIN?> ? × VREF)，比較器輸出為邏輯1。如果VIN< ? × VREF，比較器輸出為邏輯0。

如果比較器輸出為邏輯1，MSB電容的底端保持連接至VREF。否則，MSB電容的底端連接至地。

接下來(lái)，下一個(gè)較小電容的底端連接至VREF，將新的VCOMMON電壓與地電位進(jìn)行比較。

繼續(xù)上述過(guò)程，直至所有位的值均確定下來(lái)。

簡(jiǎn)言之，VCOMMON= -VIN+ BN-1× VREF/2 + BN-2× VREF/4 + BN-1× VREF/8 + ... + B0 × VREF/2N-1(B_為比較器輸出/ADC輸出位)。

DAC校準(zhǔn)

對(duì)于一個(gè)理想的DAC來(lái)講，每個(gè)與數(shù)據(jù)位相對(duì)應(yīng)的電容應(yīng)該精確到下一個(gè)較小電容的兩倍。在高分辨率ADC (如16位)中，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)寬的數(shù)值范圍，以致無(wú)法用經(jīng)濟(jì)、可行的尺寸實(shí)現(xiàn)。16位的SAR ADC (如MAX195)實(shí)際由兩列電容組成，利用電容耦合減小LSB陣列的等效容值。MSB陣列中的電容經(jīng)過(guò)微調(diào)以降低誤差。LSB電容的微小變化都將對(duì)16位轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生明顯的誤差。

不幸的是，僅僅依靠微調(diào)并不能達(dá)到16位的精度，或者補(bǔ)償由于溫度、電源電壓或其它參數(shù)的變化所造成的性能指標(biāo)的改變?？紤]到上述原因，MAX195內(nèi)部為每個(gè)MSB電容配置了一個(gè)校準(zhǔn)DAC，這些DAC通過(guò)電容耦合到主DAC輸出，根據(jù)它們的數(shù)字輸入調(diào)節(jié)主DAC的輸出。

校準(zhǔn)時(shí)，首先要確定用于補(bǔ)償每個(gè)MSB電容誤差的修正代碼，并存儲(chǔ)該代碼。此后，當(dāng)主DAC對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位為高電平時(shí)就把存儲(chǔ)的代碼提供給適當(dāng)?shù)男?zhǔn)DAC，補(bǔ)償相關(guān)電容的誤差。一般由用戶發(fā)起校準(zhǔn)過(guò)程，也可以在上電時(shí)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。為降低噪聲效應(yīng)，每個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程都執(zhí)行許多次(MAX195大約持續(xù)14,000個(gè)時(shí)鐘周期)，結(jié)果取平均值。當(dāng)供電電壓穩(wěn)定后最好進(jìn)行一次校準(zhǔn)。

高分辨率ADC應(yīng)該在電源電壓、溫度、基準(zhǔn)電壓或時(shí)鐘等任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生顯著變化后進(jìn)行再校準(zhǔn)，因?yàn)檫@些參數(shù)對(duì)直流偏移有影響。如果只考慮線性指標(biāo)，可以容許這些參數(shù)有較大改變。因?yàn)樾?zhǔn)數(shù)據(jù)是以數(shù)字方式存儲(chǔ)的，無(wú)需頻繁轉(zhuǎn)換即可保持足夠的精度。

比較器

比較器需要具有足夠的速度和精度，盡管比較器的失調(diào)電壓不影響整體的線性度，它將給系統(tǒng)傳輸特性曲線帶來(lái)一個(gè)偏差，為減小比較器的失調(diào)電壓引入了失調(diào)消除技術(shù)。然而，還必須考慮噪聲，比較器的等效輸入噪聲通常要設(shè)計(jì)在1 LSB以內(nèi)。比較器必須能夠分辨出整個(gè)系統(tǒng)精度以內(nèi)的電壓，也就是說(shuō)比較器需要保證與系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木取?/p>

SAR ADC與其它ADC結(jié)構(gòu)的比較

與流水線ADC相比

流水線ADC采用一種并行結(jié)構(gòu)，并行結(jié)構(gòu)中的每一級(jí)同時(shí)進(jìn)行一位或幾位的逐次采樣。這種固有的并行結(jié)構(gòu)提高了數(shù)據(jù)的吞吐率，但要以功耗和延遲為代價(jià)。所謂延遲，在此情況下定義為ADC采樣到模擬輸入的時(shí)間與輸出端得到量化數(shù)據(jù)的時(shí)間差。例如，一個(gè)5級(jí)流水線ADC至少存在5個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，而SAR只有1個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。

需要注意的是，延遲的定義只是相對(duì)于ADC的吞吐率而言，并非指SAR的內(nèi)部時(shí)鐘，該時(shí)鐘是吞吐率的許多倍。流水線ADC需要頻繁地進(jìn)行數(shù)字誤差校準(zhǔn)，以降低對(duì)流水線上每一級(jí)閃速ADC (即比較器)的精度要求。而SAR ADC的比較器精度只需與整體系統(tǒng)的精度相當(dāng)即可。流水線ADC一般比同等級(jí)別的SAR需要更多的硅片面積。與SAR一樣，精度高于12位的流水線ADC通常需要一些某種形式的微調(diào)或校準(zhǔn)。

與閃速ADC相比

閃速ADC由大量的比較器構(gòu)成，每個(gè)比較器包括一個(gè)寬帶、低增益預(yù)放大器和鎖存器。預(yù)放大器必須僅用于提供增益，不需要高線性度和高精度，這意味著只有比較器的門限值才需具有較高的精度。所以，閃速ADC是目前轉(zhuǎn)換速率最快的一種架構(gòu)。

與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器相比

傳統(tǒng)的過(guò)采樣/Σ-Δ轉(zhuǎn)換器被普遍用于帶寬限制在大約22kHz的數(shù)字音頻應(yīng)用。近來(lái)，一些寬帶Σ-Δ轉(zhuǎn)換器能夠達(dá)到1MHz至2MHz的帶寬，分辨率在12位至16位。這通常由高階Σ-Δ調(diào)制器(例如，4階或更高)配合一個(gè)多位ADC和多位反饋DAC構(gòu)成。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)優(yōu)于SAR ADC的先天優(yōu)勢(shì)：即不需要特別的微調(diào)或校準(zhǔn)，即使分辨率達(dá)到16位至18位。

由于該類型ADC的采樣速率要比有效帶寬高得多，因此也不需要在模擬輸入端增加快速滾降的抗混疊濾波器。由后端數(shù)字濾波器進(jìn)行處理。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣特性還可用來(lái)“平滑”模擬輸入中的任何系統(tǒng)噪聲。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器要以速率換取分辨率。由于產(chǎn)生一個(gè)最終采樣需要采樣很多次(至少是16倍，一般會(huì)更多)，這就要求Σ-Δ調(diào)制器的內(nèi)部模擬電路的工作速率要比最終的數(shù)據(jù)速率快很多。數(shù)字抽取濾波器的設(shè)計(jì)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，并要消耗相當(dāng)大的硅片面積。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，速度最高的高分辨率Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的帶寬將不大可能高出幾兆赫茲很多。

總結(jié)

綜上所述，SAR ADC的主要優(yōu)點(diǎn)是低功耗、高分辨率、高精度、以及小尺寸。由于這些優(yōu)勢(shì)，SAR ADC常常與其它更大的功能集成在一起。SAR結(jié)構(gòu)的主要局限是采樣速率較低，并且其中的各個(gè)單元(如DAC和比較器)，需要達(dá)到與整體系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木取?/p>

我們的ESP32有這么多的通道可以干這個(gè)事情。

我這里主要是寫的S3

另外，ADC是操作GPIO，所以相關(guān)的一些電氣參數(shù)要看著點(diǎn)

這個(gè)是ADC的相關(guān)參數(shù)

完整的引腳映射

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審核編輯：劉清