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[提问] 华大MCU ADC采集问题分析

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发表于 2020-1-22 18:25:42 | 显示全部楼层
从早期的8位,10位到12位ADC,现在ADC模块已经成为了单片机的标配。但是ADC使用的时候采出来的数据一定是准确的吗?其实工程师朋友们在使用的时候如果不注意的话,得到的采样值会与实际之前存在一定的误差。这是由于SAR ADC的结构所决定的,SAR ADC的标准结构如下图:
在采样过程中开关处于闭合状态,并对采样电容进行充电。如果采样的速度过快或者输入电流过小会造成电容Csh充电不满,得到的采样值会低于实际值。电路输入为小电流时,为了保护外部电路,防止由于电容突然与自己的输出相连而对外部电路形成冲击,我们在片上集成了一个模拟缓冲器如下图方框里所示。
缓冲器更像是一个阻抗变换器,它会把自己输出端电容量的变化转化为其输入端电容量的变化。可以通过对寄存器ADC_CR0中的BUFEN位进行配置来选择是否启用缓冲器。当缓冲器打开后最大的采样速率为200sps,其它情况下的采样速率如下表:
注意不同电压与采样率的问题:2.4v以上,最大采样率是1Msps,2.4v以下,最大采样降低为500KSps, 低于2.2v,最大采样率降低为200Ksps,注意不同参考源与采样率的问题:使用内部Vref时,最大采样率为200KSPS,达不到1MSPS。
知道了模块的原理后如何提高采样的精度?
第一种方法是找到噪声源,回避这个噪声源,比如在噪声源稳定,或者消失的时候,进行采样。就像电机驱动一样,ADC不会在PWM切换时 采样信号,因为PWM切换瞬间,噪声是最大的。
第二种方法是无法回避这个噪声源,那么我们的产品是有内部累加器的,比如进行16次采样,读取累加器高12位,就是16次采样的平均值,芯片内部都已经集成这个累积,求平均的硬件算法。
第三种方法是输入端加一个电容,进行去耦以及降低噪声影响,再使用ADC进行采样。
第四种方法是细节描述,比如在采样的几个cycle时,最好MCU的IO停止翻转驱动,因为这样会影响电源噪声。 最重要的是:外部Vref的这个GPIO 在ADC采样时,必须停止翻转,因为共享一个PAD,GPIO的翻转会把噪声引入ADC的Vref。
第五种方法是细节描述,比如采样的的几个cycle时,我们可以配置采样时间,加大sample的时间,这样可以更精确的采样信号。华大单片机ADC使用时推荐如下:
ADC的典型应用如下图所示:
对于0.5LSB 采样误差精度要求的条件下,外部输入阻抗的计算公式如下:
其中F_ADC为 ADC 时钟频率,寄存器 ADC_CR0<3:2>可设定其与 PCLK 的关系,如下表:
下表为ADC 时钟频率F_ADC和 PCLK 分频比关系:
M 为采样周期个数,由寄存器ADC_CR0<13:12>设定。
下表为采样时间t_sa和 ADC 时钟频率F_ADC的关系:
下为ADC 时钟频率F_ADC和外部电阻R_AIN的关系(M=12,采样误差 0.5LSB 的条件下):
                R_AIN(KOhm)         F_ADC(KHz)
                          10                          5600
                          30                          2100
                          50                          1300
                          80                          820
                          100                        660
                          120                        550
                          150                        450
尽量减小ADC输入端口AIN_X 的寄生电容C_PARACITIC;
除了考虑R_AIN值外,如果信号源V_AIN的内阻较大时,也需要加入考虑
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