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ADC模块采集电压流程 数字世界和模拟世界的桥梁,对于嵌入式软件而言,大家止于采集功能的实现。 本文目的在于深入理解ADC,积累技术做出更加稳定优秀的产品。
电压采集阶段 转换阶段 这个阶段的重点在于每次二分。
具体的过程讲起来比较复杂,软件工程师只需要对其逐次逼近转换的二分思路有理解即可。 这个可能会因为各个芯片的转换核心而异
5RC 充满到99.3%,还有千分之七的电压未采集。 7/1000 一般的ADC 12位 1/4049的采样精度。这个时候需要去看产品的设计要求。一般情况下不需要做补偿。 ADC module 转换误差对于STM32 ADC,电压的最小可检测增量变化用LSB表示为: 1 LSB 表示ADC模块可分辨的最小电压 12 位ADC 其一个单位表示V* 1/4096 10 位ADC 其一个单位表示V* 1/1024 为了后面书写方便 1LSB的系数表示为 12 位ADC P = 1/4096 ,10 位ADC P= 1/1024 满量程转换电压V V 满量程转换电压,这部分不同的ADC和电路有不同的设计 V =(VREF+)-(VREF-) 一般采用这种 V =(VREF+)-(VSSD) 其中VSSD可以为GND。这取决于电路设计。 resault = Vin/V *P 其中Vin为需要采集的电压 Vin在不同的ADC模块中有不同的配置 Vin = Vi -VGND,对地电压 Vin = Vp -Vn 差分输入电压。 Vin = Vp- Vref- 一般而言是最后一种,取决于电路的连接情况和ADC模块。 把ADC作为一个系统而言,Vin是系统的输入,resault 是系统的输出 V是系统内部的电压,其如果变化,那么输出结果变化。转换结果的稳定性就会受到影响。 1.偏移误差 offset offset一般指的是偏移误差,较正确值产生的一段位移。 理想情况下,当模拟输入介于0.5 LSB和1.5 LSB之间时,数字输出应为1。 V >0.5 LSB 输出1,V0.5LSB +W 时输出才为1,V0 也就是Eo >0 w < 0 时 ADC Calibration 是一个很复杂的学问。我们只需要记得,一定要开启。 增益误差是指ADC实际传输特性曲线和理想传输特性曲线的偏差程度。增益误差的单位是%FSR(满量程值)。如果没有校准,那么增益误差会限制信号输出的准确性 微分线性误差 手册用 Linearity error 来表示。他表示了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值,和真实值之间误差最大的那一点的误差值。 输出数值偏离线性最大的距离 其中有很多是硬件工程师需要关注的问题,软件工程师需要对误差的来源有认识。 在必要的情况下,要求硬件工程师一起参与问题的分析。 1.参考电压噪声:电源的噪声导致参考电压波动,从而对ADC转换值产生影像 2.参考电压/电源调节:负载及其输出阻抗导致电源输出下降,影响到参考电压 3.外部参考电压参数 当使用外部参考电压源( VREF+引脚上)时,该外部参考源有一些重要参数。必须考虑三个 参考电压规格:温度漂移、电压噪声和长期稳定性 4.模拟输入信号噪声 在采样时间内,小而高频率的信号变化可导致较大转换误差。 5.最大输入信号幅度的ADC动态范围匹配不佳 被采集的信号电压波动范围,占ADC总量程的比例。 6.模拟信号源电阻的影响 在源和引脚之间的模拟信号源的阻抗或串联电阻( RAIN),可能会因为流入引脚的电流而导 致其上的电压降。通过电阻为RADC的开关控制内部采样电容( CADC)的充电。 9.温度影响 温度对ADC精度有重要影响。它主要产生两种重要误差:偏移误差漂移和增益误差漂移。这些误差可以在微控制器固件中得到补偿 一般来说会制作一张温度和转换值的对应表格,用来修正温度对ADC的影像。 10.I/O引脚串扰 由于I/O之间的电容耦合,切换I/O可能会在ADC的模拟输入中产生一些噪声。彼此距离很 近或交叉的PCB走线可能会产生串扰。 内部切换数字信号和I/O会产生高频噪声。由于电流浪涌,切换高灌电流I/O可能导致电源 电压小幅下降。 PCB上与模拟输入走线交叉的数字走线可能影响模拟信号
ADC自校准功能或通过微控制器固件可以轻松补偿偏移误差和增益误差。 参考电压/电源噪声最小化(硬件设计),一般来说使用噪声小的电源,增加滤波电路。 MCU端去耦,引脚间产生耦合 参考电压/电源调节 电源的负载会产生变化,需要保证电压供给VREF 不会应为负载变化而变动 模拟输入信号噪声消除1.多次求平均值 2.添加外部滤波器 3.添加白噪声或三角波扫描来改善分辨率。软件工程师只需要去求平均值。 4.将ADC动态范围与最大信号幅度进行匹配 1.平均采样 多次采样会消耗跟多时间 2.数字滤波 3.AC测量的快速傅里叶变换 4.ADC校准:偏移、增益、位权重校准 5.使CPU生成的内部噪声最小化 软件上比较高端的操作,在采样和转换周期数字静默 实践方法1.多次求平均值
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