ADC 信号调理电路设计——应用背景和电路设计

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第二章为ADC 信号调理电路设计，本文为 2.1 应用背景和2.2 电路设计。

本章导读：

对于开发者来说，最难的是模拟电路的设计。不仅需要投入大量的仪器设备，而且还需要理论水平很高且实践经验很丰富的指导老师，才有可能设计出符合要求的模拟电路。通过分析用户设计的模拟电路，发现大多数开发者对模拟电路的设计细节知之甚少。

虽然很多半导体公司提供了琳琅满目的设计参考资料，但介绍到某些关键之处时还是让人感到语焉不详，这就是大部分开发者对模拟电路仍然心有余悸的原因。就拿MCU 供应商来说，其提供的资料更多的是数字电路的设计和基本的软件资料。几乎所有的MCU 供应商都不提供具有一定价值的应用电路设计参考，各个厂商提供的资料可以说千篇一律，你想要的没有。其实这些知识对于开发者来说都属于非核心域知识，却要花费很多时间投入其中。

基于此，我们对MCU 内部提供的各种各样的ADC 所需的外围电路进行了标准化的设计，期望推动整个行业的设计水平。因为无论任何需求都存在共性和差异性，所以只要掌握正确设计方法，就能够达到举一反三的效果。

2.1 应用背景

>>> 2.1.1 标称精度

LPC824 内部有一个12 位SAR 型ADC，多达12 个输入通道以及多个内部和外部触发器输入，其采样率高达1.2MS/s。与独立12 位ADC 芯片相比，手册标注的关键参数非常接近，理论上可以实现比较好的采集精度，详见表2.1。在实际的应用中，用户测试结果和标称值相差很远，表现出内部ADC 精度差，这是ADC 外部电路设计不合理所造成的。

表2.1 LPC82x 内部ADC 关键参数

>>> 2.1.2 外围电路

如图2.1 所示使用LPC82x 内部ADC 的采样系统，所需外围支持电路包含基准源、供电电源、驱动电路、信号调理电路等几部分，从原理上看这几部分都影响ADC 的性能指标。

图2.1 内部ADC 所需的外围支持电路

>>> 2.1.3 干扰源

绝大多数MCU 内部集成的ADC 几乎都是逐次逼近（SAR）型，因为它使用开关电容结构，半导体工艺容易实现。由于SAR 型ADC 有多个有效输入端口，因此也容易受到干扰。典型SAR 型ADC 内部结构详见图2.2，分析它的工作原理有助于理解干扰的引入路径。

图2.2 SAR 型ADC 内部结构

它通过两个阶段确定ADC输出码，由于采集阶段开关SW+和SW-最初是关闭的，所有开关均连接到IN+和IN-模拟输入，因此各电容用作采样电容，实现采集输入端的模拟信号。在转换阶段SW+和SW-是打开的，模拟输入与内各部电容断开，电容作用到比较器输入时，将导致比较器不稳定。AR 算法从MSB 开始，切换REF 与REFGND 之间的权电容阵列的各元件，使比较器重新回到平衡状态，由此将产生代表模拟输入的输出数字代码。

转换过程中代表被测输入信号的总电量，在权电容阵列中的各电容两端不断重复分布，每bit 的转换数据都根据与基准源的比较结果产生，从而决定输出代码是0 还是1，基准源上的任何噪声都会对输出代码产生直接影响。如果比较过程中电源端、地回路存在干扰，使得内部比较器的结果变动，同样也会间接导致ADC 输出数据位不稳定，详见图2.3。

图2.3 SAR 型ADC 有多个有效输入端口

SAR 型ADC 这种多次反复比较结构，基准源、电源、地、或数字接口都有可能串入干扰信号，等效于存在多个有效输入端口，而不仅仅只有一个信号输入端。防止外部干扰信号，从ADC 信号输入端以外的引脚耦合进来，才能得到到稳定的数据输出。

2.2 电路设计

提高内部SAR 型ADC 精度的要点在于逐一排除各有效输入端口上的干扰，详见图2.4。

图2.4 消除ADC 外围支持电路干扰的方法

根据对精度的影响程度，电压基准源电路的设计占80%的工作量，低噪声模拟电源占5%，输入端瞬态驱动占5%，其它抗干扰措施占10%。

>>> 2.2.1 基准源

基准电压直接影响ADC 数字输出，要求低噪声、低输出阻抗、温度稳定性良好，标准化电路详见图2.5。

图2.5 低噪声与低输出阻抗基准电压源电路

其中，C2、C1 是内部ADC 参考源管脚的储能电容，R2、R3 用于设定参考源芯片NCP431的输出电压，R1 用于设定NCP431 的静态工作电流，磁珠FB1 与R1 串联，与C2 形成低通滤