ADC前端设计科普贴——ADC采样前端模型初探

时间:2021-07-12 12:09来源:

摘要:ADC在实际应用中,经常会出现无法达到标称精度的情况,而且还会出现波形严重失真的问题,这一现象长期困扰着我们的硬件工程师,那么,在实际的ADC应用中,为何会出现这种情况呢?笔者在这里通过一个实例和大家一起共同来探讨ADC在应用中可能会碰到的问题。

案例分享
日前,有客户公司在用某ADC做AD转换的时候,碰到这样一个问题,客户传感器型号PT100,在采集信号时,输入采样端的波形如下:

我们首先假定这是一个直流前端,抛开交流耦合等因素,单从这个采样波形来看,采样端明显是工作异常的。那么,为何会出现这种情况呢?
ADC模型初探
我们先来大致解剖一下 ADC电路参考模型及其驱动电路,通过这个模型来跟大家共同来探讨一番,为了便于做定量分析,我们在文中插入一些公式,供大家参考。



为了更加直观,我们删繁就简,重新整理这个电路,单看输入、采样端的电路模型,大致如下:



为了简化设计,我们假设输入电压近似于一个直流电源,抛开耦合因素,输入内阻远大于采样电阻,Rin>>Rsh,输入电容和采样电容之间的关系用a来表示:
初始状态,相对来说Vin向Cin充电相对较小,主要看Cin向Csh充电过程,我们构建电路模型如下图所示:

根据以上模型,可以大致推导出第1阶段输入电压和采样电压对应方程,以及采样电容充电时间关系。



当Csh电压迅速上升到与Cin相当之后,我们忽略Rsh对电路的影响,我们重新构建第2阶段电路模型如下。

此时,等效电容为输入电容和采样电容并联,根据以上模型,可以大致推导出输入电压和采样电压对应方程如下:





此时,根据等效模型,我们可以推导出正常状态下:

由此,我们可以画出采样端波形大致如下:

根据ADC内部结构和,我们可以很轻松的推导出,第二阶段的时间远远大于第一阶段的时间,同时,我们也可以推导出,采样时间和输入电阻必须满足:
                                                                                                       

按照正常采样,第二阶段采样时间必须要满足输入电阻、输入电容和采样电容并联的乘积关系。如果采样不足,又会出现怎样的情况呢?在采样开关断开之后,采样保持阶段,由于Cx变小,输入电容充电速度明显加快,此时,Csh电压几乎不变,大致波形应如下(具体推导公式不再列出):


结合该客户反馈的测试结果,我们大致判断出,客户这个问题是由于在未达到采样条件时就开始进行ADC采样并转换引起。
 
解决方案
结合上述电路模型及其推导公式,我们该如何解决此类问题呢?我们给出三种建议:
A. 延迟采样时间;
B. 加大输入电容;
C. 增加驱动电路,重构输入阻抗。
实施细节
一、延迟采样,增加采样周期
这一点不难理解,只要采样速率没有要求,理论上来说,增加采样周期,完成ADC转换完全没问题,本文不做重点讲解。

二、加大输入电容
我们在很多ADC采样场合都看到ADC输入前端有一个电容,如果我们设定Rin非常小,忽略不计,那么这个电容有何作用呢?本文中,我们有一个推导公式:
由于在每个采样周期内,输入电容和采样电容的电压值都会相对固定,如果我们通过调整输入输入电容和采样电容的比值来调整第一阶段的快速充电时间,这似乎不失为一个好办法。
但是,当输入电源发生变化的时候,由于采样电容吸收能力有限,采样端输入电容泄放又会遇到新的难题。同时,对于高频信号来说,电容越大,等效阻抗会更小。
所以,在采样端引入输入电容的时候,我们需要非常谨慎,这个电容大多数是用来做高频分量滤波用的。
 
三、增加驱动能力,重构输入阻抗
我们再回到第2阶段采样时间这个公式:




如果我们能够降低输入阻抗,就会大大缩短采样时间,目前增加驱动有两种主流方法:
第一种是用变压器来做驱动电路,这个方法有一个弱点,只能针对交流信号,对工作频率有要求,需要做匹配设计。
另一种方法是用运放做跟随器,这样可以大大降低信号端的内阻,大多数模拟前端都采用这种方法来做前端设计。





经过和客户确认,客户后来采用运放做跟随驱动的方法,重新测试一版,测试采样端波形如下图,从硬件电路来看,应该找到问题所在,目前还在验证中。


Microchip ADC介绍
针对传感器市场,Microchip推出多种Delta-Sigma ADC,可以满足多种不同应用需求,特别是这么缺货的年代,
MCP356X简介:
24 bits Delta-Sigma ADC
153.6 kSPS @ 16 bits,19.2 kSPS @ 24 bits
OSR Rang:32-98034
VREF  External VREF rang:0.1V-AVDD
Clock Internal or External
RMS Effective Resolution: Up to 23.3 bits
Power Consumption:0.8-2 Ma
Package:UQFN-20
同时,Microchip也有多种运算放大器可以用来做前端设计,供大家选择。


关于世健——亚太区领先的元器件授权代理商
 
世健是完整解决方案的供应商,为亚洲电子厂商包括原设备生产商(OEM)、原设计生产商(ODM)和电子制造服务提供商(EMS)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。
        世健与供应商及电子厂商紧密协作,为新的科技与趋势作出定位,并帮助客户把这些最先进的科技揉合于他们的产品当中。集团分别在新加坡、中国及越南设有研发中心,专业的研发团队不断创造新的解决方案,帮助客户提高成本效益并缩短产品上市时间。世健研发的完整解决方案及参考设计可应用于工业、无线通信及消费电子等领域。
       世健是新加坡的主板上市公司,总部设于新加坡,拥有约650名员工,业务范围已扩展至亚太区40多个城市和地区,遍及新加坡、马来西亚、泰国、越南、中国、印度、印度尼西亚、菲律宾及澳大利亚等十多个国家。世健集团在2020年的年营业额超过11亿美元。1993年,世健在香港设立区域总部——世健系统(香港)有限公司,正式开始发展中国业务。目前,世健在中国拥有十多家分公司和办事处,遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验,世健在中国业内享有领先地位。
 
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