为(wéi)什么要讲ADC,主(zhǔ)要有(yǒu)2个原(yuán)因:第一个原因(yīn)是选择困惑,经常ADC有疑问,不知道该用MCU内置的ADC,还是(shì)单独(dú)的ADC。第二个原(yuán)因(yīn)是ADC是我们在开发时用到最多(duō)的外设功能之一了,因为世界是(shì)模拟的(de),越来越多的项目需要测量模拟信(xìn)号,根据这些信号再去分析、计(jì)算(suàn)等操(cāo)作(zuò)。所以如果(guǒ)选一个外设来讲的话,那一(yī)定是ADC。
既然是芯片引(yǐn)脚解(jiě)读系列,就来(lái)看看MCU内(nèi)部集成ADC的情况,还是以ST的MCU为(wéi)例,像STM32F412中集(jí)成的(de)是1个(gè)16通道的12位,2.4MSPS ADC,也有一些是集(jí)成2个,3个ADC的,STM32H750上就集成(chéng)了3个(gè)16位,3.6MSPS 速率的ADC,一般来(lái)说,集成的ADC的性能强弱和本身(shēn)MCU性能有很大(dà)关系。
MCU内(nèi)置的ADC引脚大多是和GPIO口复用的,16通道(dào)就(jiù)是要有16个模拟输入信号引脚。除了输入引(yǐn)脚(jiǎo)之外,还有专门的ADC电源(yuán)和地,也是我们之(zhī)前讲过的VDDA和VSSA,VDDA可以通过(guò)隔离器件接到(dào)VDD,也可以(yǐ)单独使(shǐ)用基(jī)准电源芯(xīn)片供电,这个(gè)根据ADC转换要求选择,一般都是(shì)接到VDD。
在使用(yòng)内(nèi)置(zhì)ADC的时(shí)候,我们(men)要(yào)注意datasheet中相关(guān)的内容,比如下面(miàn)这个表里的表示ADC动态性能参(cān)数,ENOB代表的是有效位数,SIAND信号与(yǔ)噪声失真(zhēn)比。
下面,就从性能、设计难(nán)度(dù)、成本几个(gè)维度给大家分析(xī)下(xià)片内ADC和独(dú)立(lì)ADC之(zhī)间(jiān)的区别。
先说性(xìng)能,说实在的,内置ADC的性能提升从一些方面来说,是被框死的。ADC是模(mó)拟外(wài)设,而MCU主(zhǔ)要是数(shù)字半导体而且速度很重要,MCU使用的混(hún)合信(xìn)号(hào)技术很难(nán)为(wéi)了提高(gāo)模拟功能而去牺牲数字速(sù)度。另(lìng)外,ADC需要内部参考电(diàn)压,去和模拟输(shū)入信号的电压电(diàn)平做对比,这个参(cān)考电(diàn)压要么来自MCU电源VDD,要么(me)从一个专用的引脚(jiǎo)引入。
ADC输出精度很(hěn)大程度上(shàng)取(qǔ)决于稳定的(de)参考电压,因此需要(yào)在MCU内部把这个参考电源(yuán)和数字逻辑分开隔离,以最大限度地减少噪声干扰。虽然外部(bù)专用参考电压引脚可以提供更好的(de)隔离,但(dàn)仍(réng)然会受(shòu)到通过(guò)MCU切换的高速数字信号(hào)的一(yī)些小干扰,这对测量小电压时非常重要,很可能会因为参考电压噪声,而丢失信(xìn)号。
是不是可以使用更高(gāo)的参考电(diàn)压(yā)来最大限度地减少噪声的影响,当(dāng)然(rán)可以,但要(yào)在测量低(dī)电压时保持(chí)相同的精度(dù),就势必(bì)要提(tí)高分辨率,位(wèi)数。这会增(zēng)加芯片上 ADC 的面积(jī),并增加(jiā) ADC在(zài)生产中的测试时间,MCU的成本(běn)无疑会增加(jiā)很多。所以(yǐ),内(nèi)置ADC的性能提升从很多方面是被限制(zhì)的。
再来看(kàn)看独立的ADC性(xìng)能有(yǒu)多(duō)强,模拟大厂ADI的高速的ADC最多的位数可(kě)以达到32位,采样速率最快可以(yǐ)达到10GSPS。10Gsps对比MCU几M的速率,大家想想,也就是飞机和蜗牛的(de)速度吧。
当然,性能高并不代表一定合(hé)适。所以还需要多考虑。将ADC和MCU集(jí)成(chéng)就意(yì)味着省(shěng)了一颗芯(xīn)片的(de)面(miàn)积,占用电路(lù)板的空间更小。而从价(jià)格上来看,带(dài)有集成 ADC 的(de) MCU 的价格肯(kěn)定是低(dī)于 MCU 和独立 ADC 的组(zǔ)合(hé)价格,性能高的ADC芯片价格可(kě)比MCU要美丽多了。
什(shí)么(me)情况下,我(wǒ)们去选择MCU内置的ADC呢,主要看内(nèi)置ADC的精度、输入通道数和速度等参(cān)数是否(fǒu)满足我们的(de)设计要求。如果满足设计要求,比(bǐ)如简单的低分(fèn)辨率的(de),就可(kě)以(yǐ)直接使用内置ADC,这样既(jì)降低(dī)了硬件(jiàn)成本,又降低(dī)了设计复(fù)杂度。
那不满足的(de)时候(hòu),比如一些精密(mì)的(de)应用(yòng)场合,我们(men)就要去选(xuǎn)择独立的ADC芯片,选择的标准基本和内置(zhì)ADC的选择标(biāo)准一样,只不(bú)过外加独立ADC的时候,还需(xū)要考虑与单片机的数字接口,常用的有IIC、SPI、并口(kǒu)等接口。
现在MCU的(de)性能提升,各种外设的性能也是水涨船高(gāo),很多应用(yòng),集成的ADC也都能够胜任了。
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