前言
ADC在實(shí)際應(yīng)用中,,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無法達(dá)到標(biāo)稱精度的情況,,而且還會(huì)出現(xiàn)波形嚴(yán)重失真的問題,,這一現(xiàn)象長期困擾著我們的硬件工程師,,那么,,在實(shí)際的ADC應(yīng)用中,,為何會(huì)出現(xiàn)這種情況呢,?
筆者在這里通過一個(gè)實(shí)例和大家一起共同來探討 ADC在應(yīng)用中可能會(huì)碰到的問題,。
案例分享
日前,有客戶公司在用某ADC做AD轉(zhuǎn)換的時(shí)候,,碰到這樣一個(gè)問題,,客戶傳感器型號(hào)PT100,在采集信號(hào)時(shí),,輸入采樣端的波形如下:
我們首先假定這是一個(gè)直流前端,,拋開交流耦合等因素,單從這個(gè)采樣波形來看,,采樣端明顯是工作異常的,。那么,為何會(huì)出現(xiàn)這種情況呢,?
ADC模型初探
我們先來大致解剖一下 ADC電路參考模型及其驅(qū)動(dòng)電路,,通過這個(gè)模型來跟大家共同來探討一番,為了便于做定量分析,,我們?cè)谖闹胁迦胍恍┕?,供大家參考?/p>
為了更加直觀,我們刪繁就簡,,重新整理這個(gè)電路,,單看輸入、采樣端的電路模型,,大致如下:
為了簡化設(shè)計(jì),,我們假設(shè)輸入電壓近似于一個(gè)直流電源,拋開耦合因素,,輸入內(nèi)阻遠(yuǎn)大于采樣電阻,,Rin>>Rsh,輸入電容和采樣電容之間的關(guān)系用a來表示:
初始狀態(tài),,相對(duì)來說Vin向Cin充電相對(duì)較小,,主要看Cin向Csh充電過程,我們構(gòu)建電路模型如下圖所示:
根據(jù)以上模型,,可以大致推導(dǎo)出第1階段輸入電壓和采樣電壓對(duì)應(yīng)方程,,以及采樣電容充電時(shí)間關(guān)系,。
當(dāng)Csh電壓迅速上升到與Cin相當(dāng)之后,,我們忽略Rsh對(duì)電路的影響,我們重新構(gòu)建第2階段電路模型如下,。
此時(shí),,等效電容為輸入電容和采樣電容并聯(lián),根據(jù)以上模型,,可以大致推導(dǎo)出輸入電壓和采樣電壓對(duì)應(yīng)方程如下:
此時(shí),,根據(jù)等效模型,,我們可以推導(dǎo)出正常狀態(tài)下:
由此,我們可以畫出采樣端波形大致如下:
根據(jù)ADC內(nèi)部結(jié)構(gòu)和,,我們可以很輕松的推導(dǎo)出,,第二階段的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一階段的時(shí)間,同時(shí),,我們也可以推導(dǎo)出,,采樣時(shí)間和輸入電阻必須滿足:
按照正常采樣,第二階段采樣時(shí)間必須要滿足輸入電阻,、輸入電容和采樣電容并聯(lián)的乘積關(guān)系,。如果采樣不足,又會(huì)出現(xiàn)怎樣的情況呢,?在采樣開關(guān)斷開之后,,采樣保持階段,由于Cx變小,,輸入電容充電速度明顯加快,,此時(shí),Csh電壓幾乎不變,,大致波形應(yīng)如下(具體推導(dǎo)公式不再列出):
結(jié)合該客戶反饋的測(cè)試結(jié)果,,我們大致判斷出,客戶這個(gè)問題是由于在未達(dá)到采樣條件時(shí)就開始進(jìn)行ADC采樣并轉(zhuǎn)換引起,。
解決方案
結(jié)合上述電路模型及其推導(dǎo)公式,,我們?cè)撊绾谓鉀Q此類問題呢?我們給出三種建議:
A. 延遲采樣時(shí)間,;
B. 加大輸入電容,;
C. 增加驅(qū)動(dòng)電路,重構(gòu)輸入阻抗,。
實(shí)施細(xì)節(jié)
一,、延遲采樣,增加采樣周期
這一點(diǎn)不難理解,,只要采樣速率沒有要求,,理論上來說,增加采樣周期,,完成ADC轉(zhuǎn)換完全沒問題,,本文不做重點(diǎn)講解。
二,、加大輸入電容
我們?cè)诤芏郃DC采樣場(chǎng)合都看到ADC輸入前端有一個(gè)電容,,如果我們?cè)O(shè)定Rin非常小,忽略不計(jì),,那么這個(gè)電容有何作用呢,?本文中,,我們有一個(gè)推導(dǎo)公式:
由于在每個(gè)采樣周期內(nèi),輸入電容和采樣電容的電壓值都會(huì)相對(duì)固定,,如果我們通過調(diào)整輸入輸入電容和采樣電容的比值來調(diào)整第一階段的快速充電時(shí)間,,這似乎不失為一個(gè)好辦法。
但是,,當(dāng)輸入電源發(fā)生變化的時(shí)候,,由于采樣電容吸收能力有限,采樣端輸入電容泄放又會(huì)遇到新的難題,。同時(shí),,對(duì)于高頻信號(hào)來說,電容越大,,等效阻抗會(huì)更小,。
所以,在采樣端引入輸入電容的時(shí)候,,我們需要非常謹(jǐn)慎,,這個(gè)電容大多數(shù)是用來做高頻分量濾波用的。
三,、增加驅(qū)動(dòng)能力,,重構(gòu)輸入阻抗
我們?cè)倩氐降?階段采樣時(shí)間這個(gè)公式:
如果我們能夠降低輸入阻抗,就會(huì)大大縮短采樣時(shí)間,,目前增加驅(qū)動(dòng)有兩種主流方法:
第一種是用變壓器來做驅(qū)動(dòng)電路,,這個(gè)方法有一個(gè)弱點(diǎn),只能針對(duì)交流信號(hào),,對(duì)工作頻率有要求,,需要做匹配設(shè)計(jì)。
另一種方法是用運(yùn)放做跟隨器,,這樣可以大大降低信號(hào)端的內(nèi)阻,,大多數(shù)模擬前端都采用這種方法來做前端設(shè)計(jì)。
經(jīng)過和客戶確認(rèn),,客戶后來采用運(yùn)放做跟隨驅(qū)動(dòng)的方法,,重新測(cè)試一版,測(cè)試采樣端波形如下圖,,從硬件電路來看,,應(yīng)該找到問題所在,目前還在驗(yàn)證中,。
Microchip ADC介紹
針對(duì)傳感器市場(chǎng),,Microchip推出多種Delta-Sigma ADC,可以滿足多種不同應(yīng)用需求,,特別是這么缺貨的年代,,
MCP356X簡介:
24 bits Delta-Sigma ADC
153.6 kSPS @ 16 bits,19.2 kSPS @ 24 bits
OSR Rang:32-98034
VREF External VREF rang:0.1V-AVDD
Clock Internal or External
RMS Effective Resolution: Up to 23.3 bits
Power Consumption:0.8-2 Ma
Package:UQFN-20
同時(shí),Microchip也有多種運(yùn)算放大器可以用來做前端設(shè)計(jì),,供大家選擇,。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商,為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM),、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,,為新的科技與趨勢(shì)作出定位,,并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡,、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心,,專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè),、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健是新加坡的主板上市公司,,總部設(shè)于新加坡,,擁有約650名員工,業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū),,遍及新加坡,、馬來西亞、泰國,、越南,、中國、印度,、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。世健集團(tuán)在2020年的年?duì)I業(yè)額超過11億美元,。1993年,,世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)(香港)有限公司,正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù),。目前,,世健在中國擁有十多家分公司和辦事處,遍及中國主要大中型城市,。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì),、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。