提高SAR ADC精度的外圍電路RC元件取值公式推導

秋水寒林發表於2024-09-01

  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

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

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。

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