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芯片(piàn)引脚解读(dú)之ADC引脚

为什么要讲ADC,主(zhǔ)要有2个原因:第一个原因是选择困惑,经常ADC有疑问(wèn),不知道(dào)该用MCU内置的ADC,还(hái)是单独的ADC。第二(èr)个原因是ADC是(shì)我们在开发时用(yòng)到最(zuì)多的外(wài)设功能之一了,因为世界是模拟的,越来越多的项目(mù)需要测量模拟信(xìn)号,根据(jù)这些(xiē)信号再去分析、计算等操作。所以如果选一个外设来讲的(de)话,那一定(dìng)是ADC。

既然是芯片引脚解读(dú)系列,就来看看MCU内部集成(chéng)ADC的情况,还是以ST的MCU为例,像STM32F412中集成的是1个16通道的12位,2.4MSPS ADC,也有一些是集成2个,3个(gè)ADC的,STM32H750上就集成了3个16位,3.6MSPS 速率的ADC,一(yī)般来(lái)说,集成的ADC的性(xìng)能强弱和(hé)本身MCU性能有很(hěn)大关系。

MCU内置(zhì)的ADC引脚(jiǎo)大多是和GPIO口复用的,16通道就是要有16个模拟输入信号引(yǐn)脚。除了输入引脚之外,还有专门的(de)ADC电(diàn)源和地,也(yě)是我们之前讲过的VDDA和VSSA,VDDA可以通过隔离(lí)器(qì)件接到VDD,也可以(yǐ)单(dān)独使用(yòng)基(jī)准电源芯片供电,这个根据ADC转换要求选择,一般都是(shì)接(jiē)到(dào)VDD。

在使用内置ADC的时候,我们要注意datasheet中相(xiàng)关的内容,比如(rú)下(xià)面这(zhè)个表里的表示ADC动(dòng)态性能参(cān)数,ENOB代表的是有效位(wèi)数,SIAND信号与噪(zào)声失真比。

下面,就从性能、设(shè)计难度、成(chéng)本几个(gè)维度给大(dà)家(jiā)分析下片内ADC和(hé)独立ADC之间的区别。

先(xiān)说性(xìng)能,说实(shí)在(zài)的,内置ADC的(de)性能(néng)提升从一(yī)些方面来说,是被框死的。ADC是模拟外设(shè),而MCU主要是数字半导体而且速度很重要(yào),MCU使用的混合信号技术很(hěn)难为(wéi)了提高模拟(nǐ)功能而去牺牲数字速度。另外,ADC需要内部参考(kǎo)电压(yā),去(qù)和模(mó)拟(nǐ)输(shū)入信号的电压电平做对比(bǐ),这个参(cān)考(kǎo)电(diàn)压要么来(lái)自(zì)MCU电源(yuán)VDD,要么从一个专用的引脚引入。

ADC输出精度很大程度上取决(jué)于稳定的参考电压(yā),因此需要在MCU内(nèi)部把这(zhè)个参考电源(yuán)和数字逻辑分开隔(gé)离,以最(zuì)大(dà)限度地(dì)减少噪声(shēng)干扰。虽然外部专用参考电压引脚可以(yǐ)提供更好的(de)隔离,但仍然(rán)会受到通过MCU切换的高速数字信号的一些小(xiǎo)干扰,这(zhè)对测量(liàng)小(xiǎo)电压时非常重要,很可能(néng)会因(yīn)为参(cān)考电压噪(zào)声,而丢(diū)失信号。

是(shì)不是可以使用更高的参考电压(yā)来最大限度(dù)地减少噪声的(de)影响,当然可以,但要(yào)在测量(liàng)低电压时保(bǎo)持相同的精度,就势(shì)必(bì)要(yào)提高(gāo)分(fèn)辨(biàn)率,位(wèi)数。这会增(zēng)加芯片(piàn)上 ADC 的面积,并增加 ADC在生(shēng)产中的测试(shì)时间,MCU的成(chéng)本无疑会增加很多(duō)。所以,内置(zhì)ADC的性(xìng)能提升(shēng)从很多方面是被限制的。

再来(lái)看看独立(lì)的ADC性能(néng)有多强,模(mó)拟大厂ADI的(de)高速(sù)的ADC最多的(de)位数可以达(dá)到(dào)32位,采(cǎi)样速率最快可以达到10GSPS。10Gsps对比MCU几M的速率,大(dà)家想想(xiǎng),也(yě)就是飞(fēi)机(jī)和(hé)蜗牛(niú)的(de)速度吧(ba)。

当然,性能(néng)高(gāo)并不代表一定合适。所(suǒ)以还需要多考虑。将(jiāng)ADC和(hé)MCU集成就意味着省了一颗(kē)芯(xīn)片的面积,占用电路板的空间更(gèng)小。而从价格(gé)上来看,带有集成 ADC 的 MCU 的(de)价格肯定是低于 MCU 和独(dú)立 ADC 的组(zǔ)合价格,性能高的ADC芯片价(jià)格可比MCU要美(měi)丽(lì)多(duō)了(le)。

什(shí)么情况(kuàng)下,我们去选择MCU内置的ADC呢,主要(yào)看内置ADC的精度、输入通(tōng)道数和速度(dù)等参数是(shì)否满(mǎn)足我们的设计要(yào)求。如(rú)果满(mǎn)足设(shè)计要求(qiú),比如简单的低分辨率(lǜ)的(de),就可(kě)以直接使用内置(zhì)ADC,这(zhè)样(yàng)既降低了硬件成本,又降低(dī)了(le)设计(jì)复杂度。

那(nà)不(bú)满足的时候,比如一些精密的应(yīng)用(yòng)场合,我们就(jiù)要去选(xuǎn)择(zé)独立的ADC芯(xīn)片,选择的标准(zhǔn)基本和内置ADC的选择标准一样,只不过外(wài)加独立ADC的时候,还需(xū)要考虑与单片机的数字接口,常用的(de)有IIC、SPI、并口等接口。

现(xiàn)在MCU的性能提升,各种(zhǒng)外设的(de)性能也是水涨船高,很多应用,集成的ADC也都能够胜任了。

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