在本系列的第1部分中，我們介紹了數據手冊中嵌入式模數轉換器（ADC）性能可能不代表您的應用的原因。這些原因包括：在芯片系統（SoC）的其余部分安靜時對ADC進行表征，考慮整個信號鏈，而不僅僅是隔離的ADC（因為運算放大器會降低信號質量，降低轉換的ADC輸出），以及一些影響性能的配置主題。在本期中，我們將分享其他詳細信息，以幫助您為應用選擇正確的時鐘和正確的參考。

時鐘選擇

時鐘抖動會影響ADC對非直流信號的信噪比（SNR）。較高的SNR意味著信號更多，噪聲更少（從而獲得更好的性能）。時鐘抖動會導致采樣時間出現偏差。如果與采樣率相比，這種偏差很小，那么它對性能的影響不大。但輸入信號頻率越高，抖動越低SNR。公式1顯示了計算所需ADC性能（SNR）的最大抖動的關系：

圖 1 以圖形方式顯示了這種影響，并提供了一些示例數字。

理想情況下，數據手冊會列出每個時鐘源的抖動，但這種情況很少見，或者數據手冊沒有提供計算目標抖動所需的所有信息。最低抖動性能始終存在于外部晶體中，但如果系統的其他部分不需要晶體，則成本會增加。外部晶體還需要額外的功率和更長的啟動時間（這降低了通過占空比ADC及其貢獻IP（可能包括時鐘和基準電壓源）而節省的功耗）。表1總結了典型的時鐘源選項以及與每個選項相關的優勢和成本。有關時鐘抖動的更深入探討，請參閱參考文獻 [1] 和 [2]。

表 1：時鐘源選項

基準電壓源

基準電壓有兩個主要部分會影響ADC性能：精度和電壓。我們在本系列的第1部分中討論了基準電壓的影響。我們還將關注這部分的準確性。

準確性取決于您使用的參考。對于集成在MCU上的ADC，基準選項可能包括（按精度遞增的順序）：電源、內部基準或外部基準（單獨的芯片）。

作為基準電壓源的電源是電流最低的選項，但通常噪聲更大，因為它為數字電路（具有開關噪聲）供電。減輕或保護模擬電源免受數字開關噪聲影響的一種常用技術是在模擬電源和數字電源之間使用濾波器（如果有單獨的引腳）。類似地，為了將電源上的噪聲與基準電壓源隔離開來，可以使用鐵氧體磁珠（無源電元件）和去耦濾波器將外部電源連接到ADC的外部基準引腳，以降低噪聲，如圖1所示。鐵氧體磁珠是隔離噪聲的常用做法，尤其是在模擬和嘈雜的開關數字MCU電源引腳之間。

基準電壓源[3]提供了鐵氧體磁珠使用的詳細情況，雖然它是圍繞鎖相環（PLL）編寫的，但它也適用于ADC。此外，用于ADC基準電壓源的電源通常不能與電池直接連接，因為電壓會在電池的使用壽命內衰減。您必須知道ADC基準電壓才能計算ADC的轉換電壓。

內部基準通常提供比電源更低的噪聲，但代價是電流消耗增加。即使如上所述，電源經過濾波并施加到外部基準路徑，內部基準通常也是低噪聲選項。

ADC的轉換結果具有意義，因為測量是從基準電壓源的角度進行的。如果參考的精度較差，則轉換結果的精度將較差。在嵌入式工藝中，不僅要提供精確的基準電壓源，而且要提供在寬溫度范圍內精確的基準電壓源，這是考慮使用外部基準電壓源的一個很好的理由。

外部基準電壓源具有更好的精度和更低的溫度系數/漂移，這通常是選擇基準電壓源時的兩個主要決策因素。外部基準電壓的溫度系數為百萬分之一/攝氏度，而集成 MCU 基準電壓源的范圍為 25 ppm/°C 至 50 ppm/°C。

表2概述了內部（集成）和外部基準之間的優勢和成本。基準電壓源 [4] 詳細介紹了如何選擇基準電壓源以及誤差和精度計算示例。

表 2：ADC 基準電壓源選擇選項

通常，您將使用滿足性能需求的最便宜或最低功耗的基準電壓源選項。要查看所需的性能，請考慮以下四個主要參考誤差因素：

精度 – 電壓變化。

溫度系數 – 電壓隨溫度漂移的程度。對于溫度范圍，請使用產品的溫度規格。

電源抑制比 （PSRR） – 基準電壓在應用使用的器件電源范圍內的變化程度。如果您的應用對MCU施加穩壓，則此值很小（電源中的紋波）。

負載調整率 – 如果基準電壓源僅進入ADC，則可以忽略負載調整率。如果沒有，請使用用于ADC基準電壓源的電壓源的總負載。

您可以使用表 3 中的計算示例來幫助您計算所需的值。

表 3：計算示例

使用外部基準電壓源在整個溫度范圍內提高直流基準精度有兩種選擇：

校準。校準是一個多步驟的過程，需要在生產環境中進行測量。在生產中，創建一個查找表（如果溫度范圍較小，則創建一個查找表）來確定實際基準電壓（一些設備制造商實際上在器件生產過程中測量此電壓并將其存儲在片上），并在軟件中使用基準電壓來校正原始ADC代碼或針對不準確的基準電壓調整ADC結果。等式2是校正等式：

其中VREF是理想的ADC基準電壓，measured_VREF是測得的ADC基準電壓。

如果要對溫度進行校正，則需要在ADC測量時進行溫度測量，以了解在查找表中使用哪個測量的基準電壓值。表3顯示了一些不同的參考參數和校準選項，可用于改進精度和溫度漂移的參數。

比率測量。在用于激勵傳感器的電壓與ADC基準電壓相同的應用中，該測量稱為比率測量。通過使用相同的電壓激勵傳感器并提供ADC基準電壓，電壓中的任何誤差都將被抵消。對于比率測量，您可以使用外部基準，也可以使內部基準在設備外部可用。當電流源用于激勵傳感器時，您還可以進行比率測量，電阻位于正負ADC基準電壓引腳之間，激勵電流通過該電阻。參考文獻 [5] 討論了使用電阻溫度檢測器 （RTD） 進行比率測量的示例。

結論

時鐘和基準電壓源是影響ADC性能的兩個關鍵元件。在評估數據手冊性能并與實際設計進行比較時，了解所選基準電壓源和時鐘源的差異非常重要。

前兩部分重點介紹了數據手冊與實際設計之間存在差異的原因，突出了測試條件和配置的重要性。接下來的兩期將介紹如何構建解決方案（印刷電路板），以符合更好地了解數據手冊帶來的新期望。

審核編輯：郭婷