ADC 信号调理电路设计——必要措施、实测验证和应用说明

这时，可以通过改变软件来降低ADC 的采样率来获得更长的采样时间。而判断是否应该降低采样速率，以LPC82x 最高采样速率1Msps 情况下，所允许的最高源阻抗为参考值。考虑信号建立至1/2LSB，计算过程如下：

该极限值表示，使用图2.22 的直接输入通道为高速信号的多通道采样电路，最高信号源阻抗不能超过2kΩ，否则需要降低采样速率。

当直接输入通道为低速信号的参考电路详见图2.24，对源阻抗无要求，但通道两侧的相邻输入通道需要接地。总结多通道采样设置方法详见表2.5，高速信号是指需要进行波形采样的信号，比如采集电网波形。低速信号是指只关注直流分量的信号，比如电源电压、温传感器的输出电压。

图2.24 直接输入通道为低速信号时的多通道采样电路

表2.5 多通道采样电路的选择方法

>>> 2.3.3 电源分配策略

电源噪声是电路板上重要的噪声源头。为了减少干扰，建议模拟和数字部分独立使用稳压器供电，详见图2.25。

图2.25 模拟部分与数字部分独立供电

>>> 2.3.4 PCB 布局布线处理

数字信号的开关噪声是电路板上另外一大干扰源。避免干扰电路板上的数字电路干扰模拟电路，应该遵循下面的规则：

• 模拟部分器件与数字部分器件，分区域放置，避免交叉放置，详见图2.26。

图2.26 模拟器件与数字器件分区域放置

• 分割地平面，然后使模拟地平面与数字地平面在单点连接，避免通过公共的地回路引入干扰，详见图2.27。

图2.27 分割地平面在单点连接

• 模拟走线与数字走线，避免靠近平行走线，如果不能避免，加地线屏蔽模拟走线，详见图2.28。

图2.28 避免数字走线干扰模拟走线

2.4 实测验证

为验证改善方法的有效性，特制作了实际的电路板。测试LPC824 内部ADC 的关键精度指标，并且与成品开发板AM824 的测试数据进行对比。主要测试数据为无噪声分辨率、INL、失调误差、增益误差。

>>> 2.4.1 无噪声分辨率

无噪声分辨率定义为ADC 电路测量一个无噪声的稳定直流电压源，统计多次连续采样数据，输出数字代码能够保持不跳动的位数。无噪声电压源使用干电池，理想情况下，输出代码不跳动，只有一个输出代码。

在原AM824 开发板上，重复测试一块干电池200 次，获得的数据直方图详见图2.29。

图2.29 AM824 开发板测试直流信号的代码分布

在使用了本文改善措施的电路板上，重复测试同一块干电池200 次，获得的数据直方图详见图2.30。

图2.30 标准化电路板测试直流信号的代码分布

经过对比，发现原数据跳动在6 位数码，转换成分辨率为3 位，就是说如果使用原开发板，最多可以发挥9 位分辨率的精度。但是在新的电路板上，我们看到数据相对集中而且跳动仅仅在3 位，测量的精度更高，可以使用10 位的分辨率精度。

>>> 2.4.2 积分非线性（INL）

INL 是表征ADC 精度的一个重要参数。在ADC 的全量程范围内，设置输入电压值从小至到大，依次等间距采集一系列数据点，可以线性拟合出一条最贴近这些数据点的直线。理想情况下，ADC 是线性的，采集数据点应该全部落在该直线上。实际的采样数据点与拟合直线的偏离程度，则表征了ADC 的非线性。在原AM824 开发板上测试的数据详见 表 2.6（Vref=2.5V）。

表2.6 AM824 开发板的INL 测试数据

AM824 开发板INL 数据的拟合曲线详见图2.31。

图2.31 AM824 开发板INL 数据的拟合曲线

在使用了本文改善措施的电路板上，重复测试获得的测试数据详见表2.7（Vref=3V）。

表2.7 标准化电路板的INL 测试数据

标准化电路板INL 数据的拟合曲线详见图2.32。

图2.32 标准化电路板INL 数据的拟合曲线

通过对比 表2.6 与表2.7 发现，在电路板上加入这些措施后，INL 得到了改善，从原来的5.3 个 LSB 改善为后来的3.6 个LSB。

>>> 2.4.3 失调与增益误差

1.  失调误差

失调误差定义为第一次实际的转换至第一次理想的转换之间的偏差。理想情况下，第一次转换应该发生在输入信号为0.5 LSB 时。失调误差以EO 标注，测试过程如下：

调节可调电阻，产生连续可变的mV 级电压值输入到标准化电路板，观察ADC 输出代码变为1 的电压值为：2.44mV。实测电路板上基准电压为：3047.56mV，算得1LSB =3047.56/(4096*2)=0.74mV。

2.  增益误差

增益误差定义为最后一次实际转换与最后一次理想转换之间的偏差。理想情况下，当模拟输入电压等于VREF-0.5LSB 时产生从0xFFE 至0xFFF 的变换。增益误差以EG 标注，测试过程为