單片機(jī)的基準(zhǔn)電壓一般為3.3V,如果外部信號(hào)超過(guò)了AD測(cè)量范圍,可以采用電阻分壓的方法,但是要注意阻抗匹配問(wèn)題。比如,SMT32的模數(shù)輸入阻抗約為10K,如果外接的分壓電阻無(wú)法遠(yuǎn)小于該阻值,則會(huì)因?yàn)樾盘?hào)源輸出阻抗較大,AD的輸入阻抗較小,從而輸入阻抗對(duì)信號(hào)源信號(hào)的電壓造成分壓,最終導(dǎo)致電壓讀取誤差較大。
因此對(duì)于使用單片機(jī)讀取外部信號(hào)電壓,外接分壓電阻必須選用較小的電阻,或者在對(duì)功耗有要求的情況下,可選用大阻值的電壓分壓后,使用電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配(電壓跟隨器輸入阻抗可達(dá)到幾兆歐姆,輸出阻抗為幾歐姆甚至更?。?。如果信號(hào)源的輸出阻抗較大,可采用電壓跟隨器匹配后再接電阻分壓。
對(duì)于外置的ADC芯片,在選型時(shí),要留意其類(lèi)型(SAR型、開(kāi)關(guān)電容型、FLASH型、雙積分型、Sigma-Delta型),不同類(lèi)型的ADC芯片輸入阻抗不同——
1、SAR型:這種ADC內(nèi)阻都很大,一般500K以上。即使阻抗小的ADC,阻抗也是固定的。所以即使只要被測(cè)源內(nèi)阻穩(wěn)定,只是相當(dāng)于電阻分壓,可以被校正;
2、開(kāi)關(guān)電容型:如TLC2543之類(lèi),其要求很低的輸入阻抗用于對(duì)內(nèi)部采樣電容快速充電。這時(shí)最好有低阻源,否則會(huì)引起誤差。實(shí)在不行,可以外部并聯(lián)一很大的電容,每次被取樣后,大電容的電壓下降不多。因此并聯(lián)外部大電容后,開(kāi)關(guān)電容輸入可以等效為一個(gè)純阻性阻抗,可以被校正;
3、FLASH型(直接比較型):大多高速ADC都是直接比較型,也稱(chēng)閃速型(FLASH),一般都是低阻抗的。要求低阻源。對(duì)外表現(xiàn)純阻性,可以和運(yùn)放直接連接;
4、雙積分型:這種類(lèi)型大多輸入阻抗極高,幾乎不用考慮阻抗問(wèn)題;
5、Sigma-Delta型:這是目前精度最高的ADC類(lèi)型,需要重點(diǎn)注意如下問(wèn)題:
測(cè)量范圍問(wèn)題:SigmaDelta型ADC屬于開(kāi)關(guān)電容型輸入,必須有低阻源。所以為了簡(jiǎn)化外部設(shè)計(jì),內(nèi)部大多集成有緩沖器。緩沖器打開(kāi),則對(duì)外呈現(xiàn)高阻,使用方便。但要注意了,緩沖器實(shí)際是個(gè)運(yùn)放。那么必然有上下軌的限制。大多數(shù)緩沖器都是下軌50mV,上軌AVCC-1.5V。在這種應(yīng)用中,共莫輸入范圍大大的縮小,而且不能到測(cè)0V。一定要特別小心!一般用在電橋測(cè)量中,因?yàn)楣材7秶荚?/2VCC附近。不必過(guò)分擔(dān)心緩沖器的零票,通過(guò)內(nèi)部校零寄存器很容易校正的;
輸入端有RC濾波器的問(wèn)題:SigmaDelta型ADC屬于開(kāi)關(guān)電容型輸入,在低阻源上工作良好。但有時(shí)候?yàn)榱艘种乒材;蛞种颇丝固仡l率外的信號(hào),需要在輸入端加RC濾波器,一般DATASHEET上會(huì)給一張最大允許輸入阻抗和C和Gain的關(guān)系表。這時(shí)很奇怪的一個(gè)特性是,C越大,則最大輸入阻抗必須隨之減小!剛開(kāi)始可能很多人不解,其實(shí)只要想一下電容充電特性久很容易明白的。還有一個(gè)折衷的辦法是,把C取很大,遠(yuǎn)大于幾百萬(wàn)倍的采樣電容Cs(一般4~20PF),則輸入等效純電阻,分壓誤差可以用GainOffset寄存器校正。
運(yùn)放千萬(wàn)不能和SigmaDelta型ADC直連!前面說(shuō)過(guò),開(kāi)關(guān)電容輸入電路電路周期用采樣電容從輸入端采樣,每次和運(yùn)放并聯(lián)的時(shí)候,會(huì)呈現(xiàn)低阻,和運(yùn)放輸出阻抗分壓,造成電壓下降,負(fù)反饋立刻開(kāi)始校正,但運(yùn)放壓擺率(SlewRate)有限,不能立刻響應(yīng)。于是造成瞬間電壓跌落,取樣接近完畢時(shí),相當(dāng)于高阻,運(yùn)放輸出電壓上升,但壓擺率使運(yùn)放來(lái)不及校正,結(jié)果是過(guò)沖。而這時(shí)正是最關(guān)鍵的采樣結(jié)束時(shí)刻。所以,運(yùn)放和SD型ADC連接,必須通過(guò)一個(gè)電阻和電容連接(接成低通)。而RC的關(guān)系又必須服從datasheet所述規(guī)則。
差分輸入和雙極性的問(wèn)題:SD型ADC都可以差分輸入,都支持雙極性輸入。但這里的雙極性并不是指可以測(cè)負(fù)壓,而是Vi+ Vi-兩腳之間的電壓。假設(shè)Vi-接AGND,那么負(fù)壓測(cè)量范圍不會(huì)超過(guò)-0.3V。正確的接法是Vi+ Vi- 共模都在-0.3~VCC之間差分輸入。一個(gè)典型的例子是電橋。另一個(gè)例子是Vi-接Vref,Vi+對(duì)Vi-的電壓允許雙極性輸入
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原文標(biāo)題:關(guān)于使用單片機(jī)讀取外部電壓ADC阻抗匹配的問(wèn)題
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