ADC誤差產生的原因(二)

上篇文章中介紹了ADC自身轉換產生的誤差,本篇文章來介紹下外部原因導致的ADC誤差。

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管理員 2021-04-02 15:41

上篇文章中介紹了ADC自身轉換產生的誤差,本篇文章來介紹下外部原因導致的ADC誤差。

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?ADC環境導致的誤差

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參考電壓噪聲

由于ADC輸出為模擬信號電壓與參考電壓之比,因此模擬參考上的任何噪聲都會導致轉換后 數字值的變化。在某些封裝中,VDDA模擬電源被用作參考電壓(VREF+),因此VDDA電源的質量會影響ADC誤差。

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例如,當模擬參考為3.3 V(VREF+ = VDDA)且信號輸入為1 V時,轉換后的結果為:?

(1/3.3)× 4095 = 0x4D9?

但是,當模擬參考中的峰間波動為40 mV時,轉換值變為:(1/3.34)× 4095 = 0x4CA(VREF+在其峰值處)。?

?誤差 = 0x4D9 – 0x4CA = 15 LSB?

SMPS(開關模式電源)通常內置快速切換功率晶體管。這會在輸出中產生高頻噪聲。此切換噪聲介于15 kHz至1 MHz之間。

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參考電壓/電源調節

電源調節對于ADC精度十分重要,因為轉換結果是模擬輸入電壓與VREF+值之比。當連接到VDDA或VREF+時,如果這些輸入上的負載及其輸出阻抗導致電源輸出下降,將在轉換結果中產生誤差。

其中N是ADC分辨率(在本例中,N = 12)。如果參考電壓變化,數字結果也將發生變化。


例如:?如果所用電源的參考電壓為3.3 V且VAIN = 1 V,則數字輸出為:

如果電源提供的電壓等于3.292 V(在其輸出連接到VREF+后),則:

壓降產生的誤差為:0x4DC – 0x4D9 = 3 LSB。

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外部參考電壓參數

當使用外部參考電壓源(VREF+引腳上)時,該外部參考源有一些重要參數。必須考慮三個 參考電壓規格:溫度漂移、電壓噪聲和長期穩定性。

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模擬輸入信號噪聲

在采樣時間內,小而高頻率的信號變化可導致較大轉換誤差。此噪聲由電氣設備(例如電 機、發動機點火、電源線)生成。它增加了不需要的信號,因此會影響源信號(例如傳感 器)。這樣一來,導致ADC轉換結果不準確。

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最大輸入信號幅度的ADC動態范圍匹配不佳

為獲得最高ADC轉換精度,ADC動態范圍必須與待轉換信號的最大幅度相匹配。我們假設待轉換信號在0 V與2.5 V之間變化,并且VREF+等于3.3 V。ADC轉換的最大信號值為3102 (2.5 V),如下圖所示。在本例中,有993個未使用轉換(4095 – 3102 = 993)。這意味著轉換后信號精度下降。

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模擬信號源電阻的影響

在源和引腳之間的模擬信號源的阻抗或串聯電阻(RAIN),可能會因為流入引腳的電流而導致其上的電壓降。通過電阻為RADC的開關控制內部采樣電容(CADC)的充電。添加了源電阻(RADC)后,保持電容充滿電所需的時間延長。下圖所示為模擬信號源電阻的影響

CADC的有效充電受RADC+RAIN控制,因此,充電時間常量為tc =(RADC+RAIN)× CADC。如果采樣時間短于通過RADC + RAIN將CADC充滿電所需的時間(ts

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PCB源電容和寄生電容的影響

在轉換模擬信號時,必須考慮源電容和模擬輸入引腳上的寄生電容。源電阻和電容構成RC網絡。此外,ADC轉換結果可能不準確,除非將外部電容(CAIN + Cp)完全充滿至輸入電壓值。(CAIN + Cp)值越大,源頻率越有限。外部源電容和寄生電容分別用CAIN和Cp表示。

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注入電流的影響

任何模擬引腳(或緊鄰的數字輸入引腳)上的負注入電流都可能在ADC輸入中產生泄漏電流。最壞情況是相鄰模擬通道。當VAIN

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溫度影響

溫度對ADC精度有重要影響。它主要產生兩種重要誤差:偏移誤差漂移和增益誤差漂移。這些誤差可以在微控制器固件中得到補償。

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I/O引腳串擾

由于I/O之間的電容耦合,切換I/O可能會在ADC的模擬輸入中產生一些噪聲。彼此距離很近或交叉的PCB走線可能會產生串擾。?

內部切換數字信號和I/O會產生高頻噪聲。由于電流浪涌,切換高灌電流I/O可能導致電源 電壓小幅下降。PCB上與模擬輸入走線交叉的數字走線可能影響模擬信號。

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EMI產生的噪聲

鄰近電路產生的電磁輻射可能在模擬信號中產生高頻噪聲,此時PCB走線相當于天線。


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