时钟和基准电压源选择

在本系列的第1部分中，我们介绍了数据手册中嵌入式模数转换器（ADC）性能可能不代表您的应用的原因。这些原因包括：在芯片系统（SoC）的其余部分安静时对ADC进行表征，考虑整个信号链，而不仅仅是隔离的ADC（因为运算放大器会降低信号质量，降低转换的ADC输出），以及一些影响性能的配置主题。在本期中，我们将分享其他详细信息，以帮助您为应用选择正确的时钟和正确的参考。

时钟选择

时钟抖动会影响ADC对非直流信号的信噪比（SNR）。较高的SNR意味着信号更多，噪声更少（从而获得更好的性能）。时钟抖动会导致采样时间出现偏差。如果与采样率相比，这种偏差很小，那么它对性能的影响不大。但输入信号频率越高，抖动越低SNR。公式1显示了计算所需ADC性能（SNR）的最大抖动的关系：

图 1 以图形方式显示了这种影响，并提供了一些示例数字。

理想情况下，数据手册会列出每个时钟源的抖动，但这种情况很少见，或者数据手册没有提供计算目标抖动所需的所有信息。最低抖动性能始终存在于外部晶体中，但如果系统的其他部分不需要晶体，则成本会增加。外部晶体还需要额外的功率和更长的启动时间（这降低了通过占空比ADC及其贡献IP（可能包括时钟和基准电压源）而节省的功耗）。表1总结了典型的时钟源选项以及与每个选项相关的优势和成本。有关时钟抖动的更深入探讨，请参阅参考文献 [1] 和 [2]。

时钟源	抖动	成本	建议使用
分机CLK	最低	需要外部晶体 更高的功率 启动时间更长	当您需要在更高的输入信号频率下获得最佳性能时
国际锁相环	中等	需要一个外部晶体来降低抖动 更高的电流 启动时间更长	如果锁相环（PLL）在使用ADC时已经导通，并且不需要使用外部晶体获得的较低抖动
国际 OSC	最高	无外部组件 可以快速启动	最适合低频输入信号

表 1：时钟源选项

基准电压源

基准电压有两个主要部分会影响ADC性能：精度和电压。我们在本系列的第1部分中讨论了基准电压的影响。我们还将关注这部分的准确性。

准确性取决于您使用的参考。对于集成在MCU上的ADC，基准选项可能包括（按精度递增的顺序）：电源、内部基准或外部基准（单独的芯片）。

作为基准电压源的电源是电流最低的选项，但通常噪声更大，因为它为数字电路（具有开关噪声）供电。减轻或保护模拟电源免受数字开关噪声影响的一种常用技术是在模拟电源和数字电源之间使用滤波器（如果有单独的引脚）。类似地，为了将电源上的噪声与基准电压源隔离开来，可以使用铁氧体磁珠（无源电元件）和去耦滤波器将外部电源连接到ADC的外部基准引脚，以降低噪声，如图1所示。铁氧体磁珠是隔离噪声的常用做法，尤其是在模拟和嘈杂的开关数字MCU电源引脚之间。

基准电压源[3]提供了铁氧体磁珠使用的详细情况，虽然它是围绕锁相环（PLL）编写的，但它也适用于ADC。此外，用于ADC基准电压源的电源通常不能与电池直接连接，因为电压会在电池的使用寿命内衰减。您必须知道ADC基准电压才能计算ADC的转换电压。

内部基准通常提供比电源更低的噪声，但代价是电流消耗增加。即使如上所述，电源经过滤波并施加到外部基准路径，内部基准通常也是低噪声选项。

ADC的转换结果具有意义，因为测量是从基准电压源的角度进行的。如果参考的精度较差，则转换结果的精度将较差。在嵌入式工艺中，不仅要提供精确的基准电压源，而且要提供在宽温度范围内精确的基准电压源，这是考虑使用外部基准电压源的一个很好的理由。

外部基准电压源具有更好的精度和更低的温度系数/漂移，这通常是选择基准电压源时的两个主要决策因素。外部基准电压的温度系数为百万分之一/摄氏度，而集成 MCU 基准电压源的范围为 25 ppm/°C 至 50 ppm/°C。

表2概述了内部（集成）和外部基准之间的优势和成本。基准电压源 [4] 详细介绍了如何选择基准电压源以及误差和精度计算示例。

模数转换器基准电压源	优势	缺点	建议使用
单片机电源	最低系统电流 无额外费用	由于从ADC到MCU电源引脚的内阻（IR压降）上的噪声/ 电压下降，性能最差	当VDDA电源不是电池并且要求最低系统功率时
内部参考	无额外费用 中等性能	可能需要校准技术与外部基准	当 VDDA 电源不符合性能要求时
外部参考	最佳性能	额外费用 附加组件 通常电流较高	当要求最佳性能时

表 2：ADC 基准电压源选择选项

通常，您将使用满足性能需求的最便宜或最低功耗的基准电压源选项。要查看所需的性能，请考虑以下四个主要参考误差因素：

精度 – 电压变化。

温度系数 – 电压随温度漂移的程度。对于温度范围，请使用产品的温度规格。

电源抑制比 （PSRR） – 基准电压在应用使用的器件电源范围内的变化程度。如果您的应用对MCU施加稳压，则此值很小（电源中的纹波）。

负载调整率 – 如果基准电压源仅进入ADC，则可以忽略负载调整率。如果没有，请使用用于ADC基准电压源的电压源的总负载。

您可以使用表 3 中的计算示例来帮助您计算所需的值。

表 3：计算示例

使用外部基准电压源在整个温度范围内提高直流基准精度有两种选择：

校准。校准是一个多步骤的过程，需要在生产环境中进行测量。在生产中，创建一个查找表（如果温度范围较小，则创建一个查找表）来确定实际基准电压（一些设备制造商实际上在器件生产过程中测量此电压并将其存储在片上），并在软件中使用基准电压来校正原始ADC代码或针对不准确的基准电压调整ADC结果。等式2是校正等式：

其中VREF是理想的ADC基准电压，measured_VREF是测得的ADC基准电压。

如果要对温度进行校正，则需要在ADC测量时进行温度测量，以了解在查找表中使用哪个测量的基准电压值。表3显示了一些不同的参考参数和校准选项，可用于改进精度和温度漂移的参数。

比率测量。在用于激励传感器的电压与ADC基准电压相同的应用中，该测量称为比率测量。通过使用相同的电压激励传感器并提供ADC基准电压，电压中的任何误差都将被抵消。对于比率测量，您可以使用外部基准，也可以使内部基准在设备外部可用。当电流源用于激励传感器时，您还可以进行比率测量，电阻位于正负ADC基准电压引脚之间，激励电流通过该电阻。参考文献 [5] 讨论了使用电阻温度检测器 （RTD） 进行比率测量的示例。

结论

时钟和基准电压源是影响ADC性能的两个关键元件。在评估数据手册性能并与实际设计进行比较时，了解所选基准电压源和时钟源的差异非常重要。

前两部分重点介绍了数据手册与实际设计之间存在差异的原因，突出了测试条件和配置的重要性。接下来的两期将介绍如何构建解决方案（印刷电路板），以符合更好地了解数据手册带来的新期望。

审核编辑：郭婷