为什么要讲(jiǎng)ADC,主要有2个原因:第(dì)一(yī)个(gè)原因是(shì)选择困(kùn)惑,经常(cháng)ADC有(yǒu)疑问(wèn),不(bú)知道该用MCU内(nèi)置的(de)ADC,还是单(dān)独的ADC。第二个原因是ADC是我们在开发时用到最多的外(wài)设(shè)功(gōng)能之一了,因为世界是模拟的,越来越多的项目需要(yào)测量模拟信(xìn)号,根据这些信号再去分析、计算等操作。所以如(rú)果选一个外设来讲的话,那一定是(shì)ADC。
既(jì)然是芯片引脚解读系列,就来看看MCU内部(bù)集成ADC的情(qíng)况(kuàng),还是以ST的MCU为(wéi)例,像STM32F412中集(jí)成的是1个(gè)16通道(dào)的12位,2.4MSPS ADC,也(yě)有一些是集成2个,3个(gè)ADC的,STM32H750上就集成(chéng)了3个16位,3.6MSPS 速率(lǜ)的ADC,一般来说(shuō),集成的ADC的性能强弱和本身MCU性能有很大关系。
MCU内置的ADC引脚(jiǎo)大(dà)多是(shì)和GPIO口(kǒu)复用的,16通道就是要有16个模拟输入信号引脚。除了输(shū)入引脚之外,还有专(zhuān)门的ADC电源和地,也(yě)是我们之(zhī)前(qián)讲过的VDDA和VSSA,VDDA可以通(tōng)过隔离器件(jiàn)接(jiē)到VDD,也可以单(dān)独使用基(jī)准电(diàn)源芯片供电,这(zhè)个(gè)根据ADC转换要求选择,一般(bān)都是接到(dào)VDD。
在使用内置ADC的时候,我们(men)要注意(yì)datasheet中相关的内(nèi)容,比如下面这个(gè)表里(lǐ)的(de)表示ADC动态性能参数,ENOB代(dài)表的(de)是(shì)有效位(wèi)数,SIAND信号(hào)与噪声失真比。
下(xià)面,就从性(xìng)能、设计难度、成本几(jǐ)个(gè)维度给大家分析(xī)下片内ADC和独立(lì)ADC之间的区别。
先说性能,说实(shí)在的,内置ADC的性能提升从一(yī)些(xiē)方面来说,是被框死的。ADC是模(mó)拟外(wài)设,而MCU主要是数字半(bàn)导(dǎo)体而且速度很重要,MCU使用的混合(hé)信号技术很难为了提(tí)高模拟功能而去牺牲数字速度。另外,ADC需(xū)要内部参(cān)考电压,去和模拟输(shū)入信(xìn)号的电压电平做(zuò)对比,这个参考电(diàn)压要(yào)么来自MCU电(diàn)源VDD,要么从一个(gè)专(zhuān)用的引脚引入。
ADC输(shū)出精度很大程度上取(qǔ)决于(yú)稳定的参考电压(yā),因此需要在MCU内部把这个参考(kǎo)电(diàn)源和数(shù)字逻辑分开隔离,以(yǐ)最大限度地减少噪声干扰。虽然(rán)外部专用(yòng)参考电压引脚可(kě)以提供(gòng)更好的隔离,但仍然会受到通过MCU切换的(de)高速数字(zì)信号的一些小(xiǎo)干扰,这对测量小电压时非常重要,很可(kě)能会因为参考电压噪(zào)声,而(ér)丢(diū)失信号。
是不是可以使用更(gèng)高的参考电压来最大限度地(dì)减(jiǎn)少噪(zào)声的影响,当(dāng)然可以(yǐ),但要在(zài)测量低电压时保(bǎo)持相同的精度(dù),就势必要提高分(fèn)辨率(lǜ),位数。这会增加(jiā)芯片上(shàng) ADC 的面积,并增(zēng)加 ADC在生产中的测试时(shí)间(jiān),MCU的成本(běn)无疑会增加很多。所以,内置ADC的性能提升从很多(duō)方面(miàn)是被限制的。
再来看看独立的ADC性能有多强,模拟(nǐ)大(dà)厂ADI的高(gāo)速的ADC最多的(de)位(wèi)数(shù)可以达(dá)到32位,采(cǎi)样速(sù)率最快可以达到10GSPS。10Gsps对比MCU几M的速率,大(dà)家想想,也就是(shì)飞机和(hé)蜗牛(niú)的速度吧。
当然,性能高并不代表(biǎo)一定合适。所以还需要(yào)多(duō)考虑。将ADC和MCU集成就意(yì)味着省(shěng)了一颗芯片的面积,占用电(diàn)路板(bǎn)的空间(jiān)更小。而从价格上(shàng)来看,带(dài)有集成(chéng) ADC 的 MCU 的价格肯定是低于 MCU 和独立 ADC 的(de)组(zǔ)合价格,性(xìng)能高的ADC芯(xīn)片(piàn)价格可比MCU要(yào)美丽(lì)多了。
什么(me)情况下,我们去选择MCU内置的ADC呢,主要看内置ADC的精度(dù)、输入(rù)通道数和速度等参数是否满(mǎn)足我们的设计要求(qiú)。如果满足设计要求,比如简单的(de)低分辨率的,就(jiù)可以直接(jiē)使用内置ADC,这样既(jì)降低了硬(yìng)件成本,又降(jiàng)低了设(shè)计复杂度。
那不满足的时候,比如一些(xiē)精密的应用场合,我(wǒ)们就要去(qù)选择独立(lì)的ADC芯片,选择的标准基(jī)本和内置ADC的选择标准一样,只不(bú)过外加(jiā)独(dú)立ADC的(de)时候,还需要(yào)考虑与单片机的数字(zì)接口,常用的(de)有(yǒu)IIC、SPI、并口等接口。
现在MCU的性能提升(shēng),各种外设的性能(néng)也是水涨船(chuán)高(gāo),很多应用(yòng),集成的ADC也(yě)都(dōu)能够胜任了。
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