在本系列的第 1 部分中，我們介紹了數據表中的嵌入式模數轉換器 (ADC) 性能可能無法代表您的應用的原因。這些原因包括在芯片系統 (SoC) 的其余部分處于安靜狀態時對 ADC 進行表征，考慮整個信號鏈，而不僅僅是孤立的 ADC（因為運算放大器會降低信號，減少轉換后的 ADC 輸出），以及一些影響性能的配置主題。在本期中，我們將分享更多詳細信息，以幫助您為應用程序選擇正確的時鐘和正確的參考。

時鐘選擇

時鐘抖動會影響 ADC 對于非 DC 信號的信噪比 (SNR)。更高的 SNR 意味著有更多的信號和更少的噪音（導致更好的性能）。時鐘抖動會導致采樣時間出現偏差。如果與采樣率相比，該偏差很小，那么它不會對性能產生太大影響。但輸入信號頻率越高，SNR 降低的抖動就越多。公式 1 顯示了計算所需 ADC 性能 (SNR) 的最大抖動的關系：

圖 1 以圖形方式顯示了這種影響，并附有一些示例數字。

理想情況下，數據手冊會列出每個時鐘源的抖動，但這種情況很少發生——或者數據手冊沒有提供計算所需抖動所需的所有信息。外部晶振始終具有最低的抖動性能，但如果系統的其他部分不需要晶振，則成本會增加。外部晶振還需要額外的功率和更長的啟動時間（這會降低通過循環 ADC 及其貢獻的 IP 所節省的功率，其中可能包括時鐘和參考）。表 1 總結了典型的時鐘源選項以及與每個選項相關的收益和成本。如需更深入地了解時鐘抖動，請參閱參考文獻 [1] 和 [2]。

表 1：時鐘源選項

電壓參考

影響 ADC 性能的參考電壓主要有兩個部分：精度和電壓。我們在本系列的第 1 部分中討論了參考電壓的影響。在這一部分中，我們還將關注準確性。

準確性取決于您使用的參考。對于集成在 MCU 上的 ADC，參考選項可能包括（按精度遞增的順序）：電源、內部參考或外部參考（單獨的芯片）。

作為參考的電源是最低電流選項，但通常噪聲更大，因為它為數字電路（具有開關噪聲）供電。減輕或保護模擬電源免受數字開關噪聲影響的一種常用技術是，如果有單獨的引腳，則在模擬和數字電源之間使用濾波器。同樣，為了將電源上的噪聲與基準隔離，您可以使用鐵氧體磁珠（一種無源電子元件）和去耦濾波器將外部電源連接到 ADC 的外部基準引腳以降低噪聲，如圖 1 所示。鐵氧體磁珠是隔離噪聲的常用做法，尤其是在模擬和嘈雜的開關數字 MCU 電源引腳之間。

參考文獻 [3] 提供了使用鐵氧體磁珠的詳細信息，雖然它是圍繞鎖相環 (PLL) 編寫的，但它也適用于 ADC。此外，用于 ADC 參考的電源通常不能直接連接到電池，因為電壓會在電池的使用壽命內衰減。您必須知道 ADC 參考電壓才能計算 ADC 的轉換電壓。

內部基準通常以增加電流消耗為代價提供比電源更低的噪聲。即使如上所述，電源已被過濾并應用于外部參考路徑，內部參考通常也是一種低噪聲選項。

ADC 的轉換結果有意義，因為測量是從參考的角度進行的。如果參考的精度很差，那么轉換結果的精度就會很差。不僅要提供準確的參考，而且要在寬溫度范圍內提供準確的參考，這在嵌入式工藝中是很難做到的，這也是考慮使用外部參考的好理由。

外部參考具有更好的精度和更低的溫度系數/漂移，這通常是選擇參考的兩個主要決定因素。外部參考電壓的溫度系數為每攝氏度百萬分之個位數，而集成的 MCU 參考電壓范圍為 25 ppm/°C 至 50 ppm/°C。

表 2 概述了內部（集成）和外部參考之間的收益和成本。參考文獻 [4] 詳細介紹了如何選擇參考電壓以及示例誤差和精度計算。

表 2：ADC 參考選擇選項

通常，您將使用滿足性能需求的最便宜或功耗最低的參考選項。要查看所需的性能，請考慮以下四個主要參考誤差因素：

準確度——電壓變化。

溫度系數——電壓隨溫度漂移的程度。對于溫度范圍，請使用您產品的溫度規格。

電源抑制比 (PSRR) – 參考電壓在您的應用使用的器件電源范圍內變化多少。如果您的應用程序向 MCU 施加穩壓電壓，則該值很小（電源紋波）。

負載調節——如果參考僅進入 ADC，您可以忽略負載調節。如果不是，則使用來自用于 ADC 參考的電壓源的總負載。

您可以使用表 3 中的計算示例來幫助您計算所需的值。

表 3：計算示例

使用外部基準來提高整個溫度范圍內的直流基準精度有兩種選擇：

校準。校準是一個多步驟過程，需要在生產環境中進行測量。在生產中，創建一個查找表（如果溫度范圍很小，則為單個點）以確定實際的參考電壓（一些設備制造商實際上在設備生產過程中測量并存儲在芯片上）并使用軟件中的參考電壓來確定糾正原始 ADC 代碼或針對不準確的參考電壓調整 ADC 結果。方程2是校正方程：

其中 VREF 是理想的 ADC 參考電壓，measured_VREF 是測得的 ADC 參考電壓。

如果要在整個溫度范圍內進行校正，則需要在 ADC 測量時進行溫度測量，以了解要在查找表中使用哪個測量電壓參考值。表 3 顯示了一些不同的參考參數以及可用于改進參數的校準選項，特別是針對精度和溫度漂移。

比例測量。在用于激勵傳感器的電壓與用作 ADC 的參考電壓相同的應用中，該測量稱為比率測量。通過使用相同的電壓來激勵傳感器并提供 ADC 參考電壓，電壓中的任何誤差都會被抵消。對于比率測量，您可以使用外部參考或在設備外部提供內部參考。當電流源用于激勵傳感器時，您還可以進行比率測量，并且在正負 ADC 參考引腳之間放置一個電阻器以及通過該電阻器的激勵電流。參考文獻 [5] 討論了使用電阻溫度檢測器 (RTD) 進行比率測量的示例。

結論

時鐘和參考是影響 ADC 性能的兩個關鍵組件。在評估數據表性能并與實際設計進行比較時，重要的是要了解您選擇的參考和時鐘源的差異。

前兩期集中討論了數據表與實際設計之間存在差異的原因，強調了測試條件和配置的重要性。接下來的兩部分將著眼于如何構建一個解決方案（印刷電路板），該解決方案將與更好地理解數據表所帶來的新期望保持一致。