此筆記源起於使用ADC直接連線NTC測量溫度的擴充套件,其實之前也記錄過ADC前端RC電路元件如何的取值筆記,那時並不太明白,只是根據ADI的影片簡單的記錄了下計算公式和步驟。
參考一:使用外部元件提高 SAR ADC 精確度
參考二:透過單端 ADC 監測 NTC 熱敏電阻電路
1. NTC測溫電路,右邊為等效電路
2. 工作原理
電路在工作的時候,首先S1閉合,S2斷開,Cin兩端的電壓給Csh充電,ADC採集電容Csh上的電壓。在取樣結束後,S1斷開,S2閉合,Csh放電。
3. 公式推導
3.1 首先確定測量精度,如1 LSB、1/2 LSB
1 LSB精度::VIN-V(Csh)≤V(FSR)/2^n ①
1/2 LSB精度:VIN-V(Csh)≤V(FSR)/2^(n+1) ②
VIN--------------------輸入電壓,也就是被採集的訊號
V(Csh)----------------ADC內部取樣保持電容Csh上的電壓
V(FSR)---------------ADC滿量程電壓
n-----------------------ADC位數
3.2 V(Csh)電壓
V(Csh)(t)--------------------------------t 時刻電壓
V(Csh)(t0)------------------------------t0 時刻電壓,電容Csh的初始電壓
VIN------------------------------------ --輸入電壓,也就是被採集的訊號
------------------------------------ --ADC內部RC時間常數,Rsh*Csh
3.3 只考慮ADC內部RC時間常數推導,使用1/2 LSB測量精度,透過②、③得
此為ADC內部的RC時間引數,即Rsh、Csh,其值ns級別,不是影響取樣精度的主要因數。
3.4 考慮外部RC電路影響,公式推導
從電荷角度看,當S1閉合,S2斷開時,Cin、Csh對電荷重新分配,Cin的電壓會下降,Csh電壓會上升。因為Cin靠的近,在最開始時,主要是Cin放電給Csh充電,在Cin、Csh電壓相等時,由最初的電壓VIN給兩個電容充電。
Qtot=Qcin+Qsh ④
Ctot=Cin+Csh ⑤
Vtot=Qtot/Ctot ⑥
Qtot---------------------------------------------Cin、Csh電荷之和
Ctot---------------------------------------------Cin、Csh電容之和
Vtot---------------------------------------------Cin、Csh電容電壓
Vtot=(Qcin+Qsh)/(Cin+Csh)
=>(Cin*Vin+Csh*Vsh)/(Cin+Csh)
=>Cin*Vin/(Cin+Csh)+Csh*Vsh/(Cin+Csh)
設Cin/Csh=a,則
Vtot=a*Vin/(a+1)+Vsh/(a+1) ⑦
由電容充放電公式可得
⑧
按照1/2 LSB精度,則
VIN-Vtot(t)≤V(FSR)/2^(n+1)
按照3.3的推導步驟,得
⑨
taq-------------------------------------------------------------ADC取樣時間
-------------------------------------------------------------Rtot*Ctot時間常數,Rtot=Rin+Rsh;Ctot=Cin+Csh;Rsh通常相對Rin非常小,計算時可忽略其值
V(FSR)------------------------------------------------------ADC滿量程電壓
VIN-------------------------------------------------------- --輸入電壓,也就是被採集的訊號,計算是可將VIN=V(FSR)
a-------------------------------------------------------------Cin/Csh比值
Vsh----------------------------------------------------------Csh取樣前得初始電壓,有兩種情況,Vsh=0,適合低速率(訊號頻率≤(取樣頻率/10)) ;Vsh=VIN/2,多通道取樣
注意:ADC得采樣頻率f(sample)=ADC取樣時間taq + ADC轉換時間tcov
根據公式⑨即可反推Rin、Cin值,或者根據給定得Rin、Cin計算出取樣率、取樣時間。