为什么你的ADC测不准?

大家好,我是小小的电子之路,这是我的第17篇原创文章,很高兴与大家一起分享~

原文出自微信公众号【小小的电子之路】

在数字信号处理的过程中,首先要做的一步就是将模拟信号转换为数字信号,这一过程需要依靠A/D转换器来实现,因此,A/D转换器的测量结果与输入模拟信号真实值之间的误差将对后续的信号处理产生至关重要的影响。但是,某些时候,ADC的测量结果并不准确,这是为什么呢?

1、SAR ADC的等效输入模型

要想解决上面这一问题,就需要从SAR ADC的等效输入模型入手,SAR ADC可以等效成电容C1和模拟开关S2,结合其前端的抗混叠滤波器,就构成了上图所示的样子。

2、SAR ADC的工作过程

一次完整的A/D转换包含两个阶段:采集阶段转换阶段

采集阶段:开关S1闭合,开关S2断开,电容C1充电;

转换阶段:开关S1断开,开关S2闭合,电容C1上的电压被转换为相应的数字量。

3、SAR ADC的反冲电压

在仿真软件里模拟上述过程,根据仿真结果可以看出,在采集之初,即开关状态刚刚切换的时刻,电容电压会出现下冲,之后开始缓慢上升

上述仿真现象可以从电容充放电的角度分析,开关状态切换之前,即转换阶段刚结束的时刻,电容C1的电压为Vin,电容C2的电压为0,开关状态切换之后,电荷会在两个电容上重新分配,此时电容电压

因此,电压将出现反冲。

之后,相当于对两个电容进行充电,其时间常数为

因此电压将缓慢上升。

4、反冲电压如何影响采集结果

由于一次完整的A/D转换包含采集和转换两个阶段,因此,采样周期等于采集时间和转换时间之和

因为转换时间基本固定,这将导致当采样率变化时,采集时间也会跟着变化,对比上图两种情况,高采样率时采集时间为T1,低采样率时采集时间为T2,可以看出,由于电容充电时间常数的存在,一旦采样率过高,采集结果与实际值之间将存在较大误差,这就会导致ADC测不准。

一般认为,当电容充电电压与真实值之间的误差小于0.5LSB时,才可结束采集启动转换,这是因为当误差小于0.5LSB时,由于ADC量化误差的存在,采集值恰好可以被量化到真实值,误差被抵消

5、ADC测不准的另一个原因

反冲电压其实只是ADC测不准的原因之一,除此之外还有另一个原因,这就需要再次回到ADC的等效输入模型上来。

开关S1闭合之前,抗混叠滤波器的截止频率

开关S1闭合之后,抗混叠滤波器的截止频率

可以看出,开关切换前后,抗混叠滤波器的截止频率不一致,这也是ADC测不准的原因之一。

以上就是本次分享的全部内容,谢谢大家!

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