为(wéi)什么(me)要讲(jiǎng)ADC,主要有(yǒu)2个原因(yīn):第一个原因是(shì)选择困(kùn)惑,经常ADC有疑(yí)问,不知道该用MCU内置的(de)ADC,还(hái)是单独的ADC。第二个原因是ADC是我(wǒ)们(men)在开发(fā)时用到最多(duō)的外设功能之一了,因为(wéi)世界是模拟(nǐ)的,越(yuè)来越多的项目需要测量模拟信号,根据这些信(xìn)号再去分析、计算等操作(zuò)。所以(yǐ)如果选一(yī)个(gè)外设来讲的话,那(nà)一定是ADC。
既然(rán)是芯片引(yǐn)脚解读系列,就(jiù)来看看MCU内部集成ADC的(de)情况(kuàng),还是(shì)以ST的MCU为例(lì),像STM32F412中集成的是1个16通(tōng)道的12位,2.4MSPS ADC,也有一些(xiē)是集成2个,3个(gè)ADC的,STM32H750上就集成(chéng)了3个16位,3.6MSPS 速率的ADC,一般来(lái)说,集成的ADC的性能强弱(ruò)和本身MCU性(xìng)能(néng)有很大关系。
MCU内(nèi)置的ADC引脚大多是和GPIO口复用的,16通(tōng)道就是要有16个模拟输入信号引脚。除(chú)了输入(rù)引脚(jiǎo)之(zhī)外,还(hái)有(yǒu)专门的ADC电源和地,也是我(wǒ)们之前(qián)讲过的VDDA和VSSA,VDDA可以通过隔(gé)离器件接到(dào)VDD,也可以单独使用基准电源芯片供电,这个根据ADC转换要求选择,一(yī)般都是接到VDD。
在使用内置ADC的时候,我们要(yào)注意datasheet中相关的内容,比如(rú)下面(miàn)这(zhè)个表(biǎo)里的表示ADC动态性能(néng)参数,ENOB代表(biǎo)的是有效位数,SIAND信号与(yǔ)噪声失真比。
下(xià)面,就(jiù)从性(xìng)能、设计难度、成本几个维度给(gěi)大(dà)家分析(xī)下(xià)片内ADC和独立(lì)ADC之(zhī)间的区别。
先说性能,说实在(zài)的,内置ADC的性(xìng)能提升从一些方面来说,是被框死的。ADC是(shì)模拟外设,而MCU主要是数字半导体而且速(sù)度(dù)很重要,MCU使用的混(hún)合信号技(jì)术很难为(wéi)了提高模拟功能而去牺牲数字速(sù)度。另外,ADC需要内部参考电压(yā),去和模拟输入(rù)信号的电压(yā)电平做对比,这个参考电压(yā)要么来自MCU电源(yuán)VDD,要么从一个专用的引脚(jiǎo)引入。
ADC输(shū)出精度很大程度上取决于稳定的参(cān)考(kǎo)电压(yā),因此需要在(zài)MCU内(nèi)部(bù)把这(zhè)个参考电源和(hé)数字逻辑分开隔离,以(yǐ)最大限度地减少噪声干(gàn)扰。虽然外部专用参(cān)考电压引脚(jiǎo)可以(yǐ)提供更好的隔离(lí),但仍然(rán)会受到通过MCU切换的(de)高速数字(zì)信(xìn)号的一些小干扰,这对测量小电压时非常重要,很可(kě)能会因(yīn)为参考电压噪声,而丢(diū)失信(xìn)号。
是不是可以(yǐ)使用更高的参考电压来最大限度地(dì)减少噪(zào)声的影响,当然可以,但(dàn)要在测量低电压时(shí)保持相同的精(jīng)度,就势必(bì)要(yào)提(tí)高分辨率,位数。这会增加芯(xīn)片(piàn)上 ADC 的(de)面积(jī),并(bìng)增加 ADC在生(shēng)产中的(de)测试时间,MCU的成(chéng)本无(wú)疑会(huì)增加很多。所(suǒ)以,内置ADC的性能提(tí)升从很(hěn)多方(fāng)面(miàn)是被限制的。
再来看看独立的ADC性能(néng)有多强(qiáng),模拟大(dà)厂ADI的高速的ADC最多的位数可以(yǐ)达到(dào)32位,采样速率最(zuì)快可以达到(dào)10GSPS。10Gsps对比MCU几M的速率,大家想想,也(yě)就是飞机和(hé)蜗牛的速度吧。
当然,性能高并不(bú)代表(biǎo)一(yī)定合适。所以还需(xū)要多考虑。将ADC和MCU集成(chéng)就(jiù)意味着(zhe)省了(le)一(yī)颗芯(xīn)片(piàn)的面积,占用(yòng)电路板的空间更小。而从价格上来看(kàn),带有集成 ADC 的(de) MCU 的(de)价格(gé)肯定是低于 MCU 和独立 ADC 的组合价格,性能(néng)高的ADC芯片(piàn)价格可比MCU要美丽(lì)多了。
什(shí)么情况下,我们去选择MCU内(nèi)置的ADC呢,主要看(kàn)内置(zhì)ADC的精度、输入通道数和速度等参数是否满足(zú)我们的设计要求。如果满(mǎn)足设计要求,比如简单的低分辨率的,就可以直接使用内置ADC,这样既降(jiàng)低(dī)了硬件成本,又降低了(le)设计复(fù)杂度。
那(nà)不满足的时候,比如一些(xiē)精密的应(yīng)用场合,我们就要去选择独立的ADC芯片,选择的(de)标准基本和内置ADC的选择标准一样,只不过外(wài)加独(dú)立(lì)ADC的时候,还需(xū)要考虑与单片(piàn)机的数字接口,常用的(de)有IIC、SPI、并口(kǒu)等接口。
现在(zài)MCU的(de)性能提(tí)升(shēng),各种外设的性能也是水涨船高(gāo),很多应用,集(jí)成的ADC也都能够胜任(rèn)了。
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