【導讀】ADC在實際應用中,經(jīng)常會出現(xiàn)無法達到標稱精度的情況,而且還會出現(xiàn)波形嚴重失真的問題,這一現(xiàn)象長期困擾著我們的硬件工程師,那么,在實際的ADC應用中,為何會出現(xiàn)這種情況呢?
前言
ADC在實際應用中,經(jīng)常會出現(xiàn)無法達到標稱精度的情況,而且還會出現(xiàn)波形嚴重失真的問題,這一現(xiàn)象長期困擾著我們的硬件工程師,那么,在實際的ADC應用中,為何會出現(xiàn)這種情況呢?
筆者在這里通過一個實例和大家一起共同來探討 ADC在應用中可能會碰到的問題。
案例分享
日前,有客戶公司在用某ADC做AD轉(zhuǎn)換的時候,碰到這樣一個問題,客戶傳感器型號PT100,在采集信號時,輸入采樣端的波形如下:
我們首先假定這是一個直流前端,拋開交流耦合等因素,單從這個采樣波形來看,采樣端明顯是工作異常的。那么,為何會出現(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)動電路,通過這個模型來跟大家共同來探討一番,為了便于做定量分析,我們在文中插入一些公式,供大家參考。
為了更加直觀,我們刪繁就簡,重新整理這個電路,單看輸入、采樣端的電路模型,大致如下:
為了簡化設計,我們假設輸入電壓近似于一個直流電源,拋開耦合因素,輸入內(nèi)阻遠大于采樣電阻,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),相對來說Vin向Cin充電相對較小,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,可以大致推導出第1階段輸入電壓和采樣電壓對應方程,以及采樣電容充電時間關(guān)系。
當Csh電壓迅速上升到與Cin相當之后,我們忽略Rsh對電路的影響,我們重新構(gòu)建第2階段電路模型如下。
此時,等效電容為輸入電容和采樣電容并聯(lián),根據(jù)以上模型,可以大致推導出輸入電壓和采樣電壓對應方程如下:
此時,根據(jù)等效模型,我們可以推導出正常狀態(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出,第二階段的時間遠遠大于第一階段的時間,同時,我們也可以推導出,采樣時間和輸入電阻必須滿足:
按照正常采樣,第二階段采樣時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,Csh電壓幾乎不變,大致波形應如下(具體推導公式不再列出):
結(jié)合該客戶反饋的測試結(jié)果,我們大致判斷出,客戶這個問題是由于在未達到采樣條件時就開始進行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公式,我們該如何解決此類問題呢?我們給出三種建議:
A. 延遲采樣時間;
B. 加大輸入電容;
C. 增加驅(qū)動電路,重構(gòu)輸入阻抗。
實施細節(jié)
一、延遲采樣,增加采樣周期
這一點不難理解,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,本文不做重點講解。
二、加大輸入電容
我們在很多ADC采樣場合都看到ADC輸入前端有一個電容,如果我們設定Rin非常小,忽略不計,那么這個電容有何作用呢?本文中,我們有一個推導公式:
由于在每個采樣周期內(nèi),輸入電容和采樣電容的電壓值都會相對固定,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間,這似乎不失為一個好辦法。
但是,當輸入電源發(fā)生變化的時候,由于采樣電容吸收能力有限,采樣端輸入電容泄放又會遇到新的難題。同時,對于高頻信號來說,電容越大,等效阻抗會更小。
所以,在采樣端引入輸入電容的時候,我們需要非常謹慎,這個電容大多數(shù)是用來做高頻分量濾波用的。
三、增加驅(qū)動能力,重構(gòu)輸入阻抗
我們再回到第2階段采樣時間這個公式:
如果我們能夠降低輸入阻抗,就會大大縮短采樣時間,目前增加驅(qū)動有兩種主流方法:
第一種是用變壓器來做驅(qū)動電路,這個方法有一個弱點,只能針對交流信號,對工作頻率有要求,需要做匹配設計。
另一種方法是用運放做跟隨器,這樣可以大大降低信號端的內(nèi)阻,大多數(shù)模擬前端都采用這種方法來做前端設計。
經(jīng)過和客戶確認,客戶后來采用運放做跟隨驅(qū)動的方法,重新測試一版,測試采樣端波形如下圖,從硬件電路來看,應該找到問題所在,目前還在驗證中。
Microchip ADC介紹
針對傳感器市場,Microchip推出多種Delta-Sigma ADC,可以滿足多種不同應用需求,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,Microchip也有多種運算放大器可以用來做前端設計,供大家選擇。
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