ADC 信号调理电路设计——必要措施、实测验证和应用说明

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第二章为ADC 信号调理电路设计，本文为 2.3 必要措施、2.4 实测验证和2.5 应用说明。

2.3 必要措施

一个完整的采集电路框图详见图2.19，从传感器或信号源到最终的ADC 数据输出，中间需要经过输入范围调整、多通道复用等信号调理环节。除ADC 自身之外，需要考虑整个采集通道链路的设计，才能获得的良好采集精度。

图2.19 典型的采集电路框图

在设计采集通道时，需要考虑的问题有：

• 信号的大小和ADC 满量程输入的范围。

• 信号的极性和ADC 输入的极性。

• 信号的通道数，是否需要多通道同步采样，还是采用复用输入？

• 信号是单端输入，还是差分输入？

>>> 2.3.1 输入范围匹配

传感器信号往往都很微弱，幅度可能只占ADC 量程的一小部分。使得最大输入信号的幅度与ADC 量程相匹配，对于得到最大的ADC 转换精度是重要的。假定要转换的信号在0V 至2V 之间变化，而VREF 等于3V，则最大信号的ADC 转换数值是2729（2.0V），详见图2.20。这样，就有1366 个未使用的转换数值，即丢失了转换信号的精度。

图2.20 输入信号幅度与ADC 测量范围

最好使用一个外部的前级放大器，这个放大器可以把输入信号的范围转换至ADC 模块的范围。例如使用LMV358A 搭建10 倍同相放大器，使得0~300mV输入信号，转换到0~3V。

同样可以使用外部的放大器搭建叠加电路，完成双极性正负输入，转换成单极性输入；搭建仪表放大器，完成差分输入转换成单端输入。

>>> 2.3.2 多通道采样设置

考虑硬件成本时，多个采集通道复用一个ADC 是常用的做法。LPC82x 具有12 路模拟输入管脚，芯片内部已经是多路复用结构，详见图2.21。

图2.21 LPC82x 模拟输入通道的多路复用等效电路

使用这种时分复用结构时，非常容易由以下两个问题导致精度下降：

• 通道的信号源阻抗过大导致建立时间不足，采集到的电压值减小。

• 通道切换时间过快，多路开关公共端的寄生电容，导致相邻通道上的信号出现串扰。

虽然信号源阻抗的影响已经设计了缓冲运放彻底解决，但是考虑到成本因素，每个通道都加入一个运放有时无法接受，更合理的配置是幅值精度要求高的信号通道上使用运放，要求不高的通道上信号源直接输入ADC 通道。

这种混合配置需考虑两种情况：直接输入通道为高速信号并且要求高带宽，或者为低速信号并且要求限制带宽。当直接输入通道为高速信号的参考电路详见图2.22，为了避免通道串扰导致的电压残留，通道上不能并接电容，设计关键在于信号源阻抗与采样速率相匹配。

图2.22 直接输入通道为高速信号时的多通道采样电路

要根据采样速率，对直接输入通道信号源阻抗的极限值进行量化。为了方便计算，取多路复用结构中的单个LPC82x 模拟输入通道，等效电路详见图2.23。

图2.23 LPC82x 单个模拟输入通道的等效电路

从左至右来看，R_S 为外部信号源阻抗，C_PIN 是输入引脚电容（基本可忽略），R_SWITCH为多路复用开关电阻+采样开关导通电阻，C_SAMPLE  为采样电容。采样期间开关闭合，R_S、R_SWITCH、C_SAMPLE  构成单极点RC 网络，它的时间常数可以表示为：

假设在采样刚开始时，采样电容上电压为0，电容上电压与上升时间的关系可以表示为：

由此可见，可以根据变化时间确定采样电容上的电压达到输入信号电压值的百分比。假设R_S 为0，当采样电容上的电压为输入电压值的99.32%时，将有0.68%（剩余百分比）的电压无法准确获得，也就是说最小分辨率为0.68%，这和7.2 位的ADC 的分辨率一致。剩余百分比和ADC 位数的换算公式为log₂(1/剩余百分比)log2(1/剩余百分比)，其典型换算结果详见表2.4。

表2.4 建立时间与ADC 精度

根据这个表的计算，如果不能给ADC 足够的采样时间会导致ADC 的精度降低。假设一个采样速率为1Msps 的12 位ADC，有效的采样时间为750ns。当R_S 为0 时，750ns＞200ns，采样电容上能获得远高于12 位的精度，采样时间是足够的。如果现在对信号源增加5KΩ内阻，然后可以得到：如果要达到13bits 精度，ADC 至少需要1350ns 的采样时间：

750ns 的采样时间就已经不够了。