華大MCU ADC采集問題分析

白虎姐

從早期的8位，10位到12位ADC，現(xiàn)在ADC模塊已經(jīng)成為了單片機(jī)的標(biāo)配。但是ADC使用的時(shí)候采出來的數(shù)據(jù)一定是準(zhǔn)確的嗎？其實(shí)工程師朋友們在使用的時(shí)候如果不注意的話，得到的采樣值會(huì)與實(shí)際之前存在一定的誤差。這是由于SAR ADC的結(jié)構(gòu)所決定的，SAR ADC的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如下圖：

在采樣過程中開關(guān)處于閉合狀態(tài),并對采樣電容進(jìn)行充電。如果采樣的速度過快或者輸入電流過小會(huì)造成電容Csh充電不滿，得到的采樣值會(huì)低于實(shí)際值。當(dāng)電路輸入為小電流時(shí)，為了保護(hù)外部電路,防止由于電容突然與自己的輸出相連而對外部電路形成沖擊,我們在片上集成了一個(gè)模擬緩沖器如下圖方框里所示。

緩沖器更像是一個(gè)阻抗變換器,它會(huì)把自己輸出端電容量的變化轉(zhuǎn)化為其輸入端電容量的變化�？梢酝ㄟ^對寄存器ADC_CR0中的BUFEN位進(jìn)行配置來選擇是否啟用緩沖器。當(dāng)緩沖器打開后最大的采樣速率為200sps，其它情況下的采樣速率如下表：

注意不同電壓與采樣率的問題：2.4v以上，最大采樣率是1Msps，2.4v以下，最大采樣降低為500KSps， 低于2.2v，最大采樣率降低為200Ksps，注意不同參考源與采樣率的問題：使用內(nèi)部Vref時(shí)，最大采樣率為200KSPS，達(dá)不到1MSPS。

知道了模塊的原理后如何提高采樣的精度？

第一種方法是找到噪聲源，回避這個(gè)噪聲源，比如在噪聲源穩(wěn)定，或者消失的時(shí)候，進(jìn)行采樣。就像電機(jī)驅(qū)動(dòng)一樣，ADC不會(huì)在PWM切換時(shí) 采樣信號(hào)，因?yàn)镻WM切換瞬間，噪聲是最大的。

第二種方法是無法回避這個(gè)噪聲源，那么我們的產(chǎn)品是有內(nèi)部累加器的，比如進(jìn)行16次采樣，讀取累加器高12位，就是16次采樣的平均值，芯片內(nèi)部都已經(jīng)集成這個(gè)累積，求平均的硬件算法。

第三種方法是輸入端加一個(gè)電容，進(jìn)行去耦以及降低噪聲影響，再使用ADC進(jìn)行采樣。

第四種方法是細(xì)節(jié)描述，比如在采樣的幾個(gè)cycle時(shí)，最好MCU的IO停止翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檫@樣會(huì)影響電源噪聲。 最重要的是：外部Vref的這個(gè)GPIO 在ADC采樣時(shí)，必須停止翻轉(zhuǎn)，因?yàn)楣蚕硪粋�(gè)PAD，GPIO的翻轉(zhuǎn)會(huì)把噪聲引入ADC的Vref。

第五種方法是細(xì)節(jié)描述，比如采樣的的幾個(gè)cycle時(shí)，我們可以配置采樣時(shí)間，加大sample的時(shí)間，這樣可以更精確的采樣信號(hào)。華大單片機(jī)ADC使用時(shí)推薦如下：

ADC的典型應(yīng)用如下圖所示：

對于0.5LSB 采樣誤差精度要求的條件下，外部輸入阻抗的計(jì)算公式如下：

其中F_ADC為 ADC 時(shí)鐘頻率，寄存器 ADC_CR0<3:2>可設(shè)定其與 PCLK 的關(guān)系，如下表：

下表為ADC 時(shí)鐘頻率F_ADC和 PCLK 分頻比關(guān)系：

M 為采樣周期個(gè)數(shù)，由寄存器ADC_CR0<13:12>設(shè)定。

下表為采樣時(shí)間t_sa和 ADC 時(shí)鐘頻率F_ADC的關(guān)系：

下為ADC 時(shí)鐘頻率F_ADC和外部電阻R_AIN的關(guān)系（M=12,采樣誤差 0.5LSB 的條件下）：

                R_AIN（KOhm）         F_ADC(KHz)

                          10                          5600

                          30                          2100

                          50                          1300

                          80                          820

                          100                        660

                          120                        550

                          150                        450

盡量減小ADC輸入端口AIN_X 的寄生電容C_PARACITIC；

除了考慮R_AIN值外，如果信號(hào)源V_AIN的內(nèi)阻較大時(shí)，也需要加入考慮

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