ADC前端設計科普貼——ADC采樣前端模型初探

前言

ADC在實(shí)際應用中，經(jīng)常會(huì )出現無(wú)法達到標稱(chēng)精度的情況，而且還會(huì )出現波形嚴重失真的問(wèn)題，這一現象長(cháng)期困擾著(zhù)我們的硬件工程師，那么，在實(shí)際的ADC應用中，為何會(huì )出現這種情況呢？

筆者在這里通過(guò)一個(gè)實(shí)例和大家一起共同來(lái)探討 ADC在應用中可能會(huì )碰到的問(wèn)題。

案例分享

日前，有客戶(hù)公司在用某ADC做AD轉換的時(shí)候，碰到這樣一個(gè)問(wèn)題，客戶(hù)傳感器型號PT100，在采集信號時(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(kāi)交流耦合等因素，單從這個(gè)采樣波形來(lái)看，采樣端明顯是工作異常的。那么，為何會(huì )出現這種情況呢？

ADC模型初探

我們先來(lái)大致解剖一下 ADC電路參考模型及其驅動(dòng)電路，通過(guò)這個(gè)模型來(lái)跟大家共同來(lái)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(guān)，我們刪繁就簡(jiǎn)，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(jiǎn)化設計，我們假設輸入電壓近似于一個(gè)直流電源，拋開(kāi)耦合因素，輸入內阻遠大于采樣電阻，Rin>>Rsh，輸入電容和采樣電容之間的關(guān)系用a來(lái)表示：

初始狀態(tài)，相對來(lái)說(shuō)Vin向Cin充電相對較小，主要看Cin向Csh充電過(guò)程，我們構建電路模型如下圖所示：

根據以上模型，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(shí)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(shí)，根據等效模型，我們可以推導出正常狀態(tài)下：

由此，我們可以畫(huà)出采樣端波形大致如下：

根據ADC內部結構和，我們可以很輕松的推導出，第二階段的時(shí)間遠遠大于第一階段的時(shí)間，同時(shí)，我們也可以推導出，采樣時(shí)間和輸入電阻必須滿(mǎn)足：

按照正常采樣，第二階段采樣時(shí)間必須要滿(mǎn)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 )出現怎樣的情況呢？在采樣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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，大致波形應如下（具體推導公式不再列出）：

結合該客戶(hù)反饋的測試結果，我們大致判斷出，客戶(hù)這個(gè)問(wèn)題是由于在未達到采樣條件時(shí)就開(kāi)始進(jìn)行ADC采樣并轉換引起。

解決方案

結合上述電路模型及其推導公式，我們該如何解決此類(lèi)問(wèn)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.增加驅動(dòng)電路，重構輸入阻抗。

實(shí)施細節

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(méi)有要求，理論上來(lái)說(shuō)，增加采樣周期，完成ADC轉換完全沒(méi)問(wèn)題，本文不做重點(diǎn)講解。

二、加大輸入電容

我們在很多ADC采樣場(chǎng)合都看到ADC輸入前端有一個(gè)電容，如果我們設定Rin非常小，忽略不計，那么這個(gè)電容有何作用呢？本文中，我們有一個(gè)推導公式：

由于在每個(gè)采樣周期內，輸入電容和采樣電容的電壓值都會(huì )相對固定，如果我們通過(guò)調整輸入輸入電容和采樣電容的比值來(lái)調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)，對于高頻信號來(lái)說(shuō)，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，我們需要非常謹慎，這個(gè)電容大多數是用來(lái)做高頻分量濾波用的。

三、增加驅動(dòng)能力，重構輸入阻抗

我們再回到第2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，目前增加驅動(dòng)有兩種主流方法：

第一種是用變壓器來(lái)做驅動(dòng)電路，這個(gè)方法有一個(gè)弱點(diǎn)，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阻，大多數模擬前端都采用這種方法來(lái)做前端設計。

經(jīng)過(guò)和客戶(hù)確認，客戶(hù)后來(lái)采用運放做跟隨驅動(dòng)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(lái)看，應該找到問(wèn)題所在，目前還在驗證中。

Microchip ADC介紹

針對傳感器市場(chǎng)，Microchip推出多種Delta-Sigma ADC，可以滿(mǎn)足多種不同應用需求，特別是這么缺貨的年代，

MCP356X簡(jiǎn)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也有多種運算放大器可以用來(lái)做前端設計，供大家選擇。