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  • 缘起   最近项目中用到了终端在仅有电流的情况下启动并正常工作的需要。此时需要先给系统充电,...国内基本找不到太有效的讲解 ADC 原理的资料(至少我是没找到),在 TI、ADI 等公司官网倒是有不少资料可供参考

    缘起

      最近项目中用到了终端在仅有电流的情况下启动并正常工作的需要。此时需要先给系统充电,充电时间是毫秒级别。而 MCU 在 2V 基本就可以工作了,此时的 ADC 的基准电压也在 2V(使用的基准电压芯片只能保证在 2.5V ~ 3.3V 内是准确的),这就造成了 ADC 在这段时间内工作采样数据不准确。问题就是想搞明白此时基准电压低了,采样值会如何变化?

    知其然,也要知其所以然!

    国内基本找不到太有效的讲解 ADC 原理的资料(至少我是没找到),在 TI、ADI 等公司官网倒是有不少资料可供参考!

    基本原理

      STM32 微控制器中内置的 ADC 使用 SAR(Successive Approximation Register,逐次逼近)原则,分多步执行转换。SAR ADC 的工作原理基本都是一样的。下图左侧是 ST 给出的 ADC(以 10 位为例) 的基本原理图,右侧是专用 16 位高精度 SAR ADC 基本原理图:
    在这里插入图片描述

    • VIN / IN+:很多专用 ADC 手册都是都是标注为 VIN,这个就是 ADC 的输入引脚
    • VREF / REF:这个就是 ADC 的参考电压,部分手册标注为 Vref
    • REFGND 和 IN- 在 ST MCU 的实际使用中,多数都是直接接系统地的。因此,左侧图中,地都是一样的。
    • 注意以上电容容量一共是 2C:C / 2 + C / 4 + C / 8 + C / 16 + C / 32 + C / 64 + C / 128 + C / 256 + C / 512 + C / 512 = CC + C = 2C,这在下面转换时需要用到。

    LSB:Least Significant Bit,最低有效位
    MSB:Most Significant Bit,最高有效位
    ADC 输入电压的最小可检测增量变化用 LSB 表示,1LSB = VREF / 2n,n 表示 ADC 的有效位数。例如,上图 10 位 ADC,VREF 为 3.3V 时:1LSB = 3.3 / 210 = 0.0032226V = 3.222mV = 322.2uV

    转换步骤

      SAR ADC 的转换步骤数等于 ADC 转换器中的位数,每个 ADC 时钟产生一个数据位。转换步骤可以大体上划分为 采样 -> 保持 -> 逐次转换 这三步。下面我们来具体看看这三步是怎么来执行的。

    1. 采样状态: 开关 Sa 切换至 VIN,采样期间开关 Sb 闭合,电容充电至电压 VIN。
      在这里插入图片描述
    2. 保持状态: 开关 Sb 打开,然后开关 S1 ~ S11 切换至接地且 Sa 切换至 VREF,输入断开,电容保持输入电压。保持状态仅仅是个临时态,实际在这个阶段就开始进行转换。
      在这里插入图片描述
    3. 转换: 每个 ADCCLK 执行一步,每一步 ADC 输出一位数。首先来看下图:
      在这里插入图片描述
      其实,看上面的电容值就可以看出来,对比过程就是简单的二分法进行逐次逼近到 ADC 指定的精度(位数),就是个二叉树。如下图所示的分解图:
      在这里插入图片描述
        有了以上原理之后,很容易得出 ,对于一个有 10 位有效位的 ADC 来说,其可能步骤有 210 = 1024 个可能的步骤,ADC 转换的数值 = (VIN x 1024) / VREF。通用公式:ADCsrc = VIN * 2n / Vref,n 为 ADC 的有效位数

    转换时间

      搞明白了以上工作原理之后,我们再来看看 ST 手册中给出的 ADC 采样时间公式:每个通道总的转换时间 = TSampling + Tconversion

    • TSampling :这个是我们在配置 ADC 时指定的。该值需要和外部电路的输入阻抗匹配。这一步就是保证在采用阶段,采样保持电容有足够的时间充电。
      在这里插入图片描述
    • Tconversion :取决于转换精度,这个也是在配置 ADC 时指定的。具体取值如下:
      精度TConversion
      12 bits12 * ADCCLK
      10 bits10 * ADCCLK
      8 bits8 * ADCCLK
      6 bits6 * ADCCLK

      因此,每个通道总的转换时间就是:Ttotal = (SMP + RES) * ADCCLK。其中,SMP 是采样时间,需要和外部输入阻抗搭配;RES 是转换精度,降低精度可提高速度;ADCCLK 是 ADC 模块工作时钟

    外部输入阻抗和采样时间

      上面我们说道,TSampling 需要和外部输入阻抗相匹配。那么,这个外部输入阻抗具体怎么来计算,或者说如何进行确定呢?首先,来看一下 ST 给出的下图:
    在这里插入图片描述
    不同 ADC 配置下允许的最大外部输入阻抗计算公式如下 :
    在这里插入图片描述

    • K:采样周期
    • N:转换精度
    • fADC:取决于工作电压
    • CADC 和 RADC:这个是设计 ADC 的固有参数,位置见上图,具体数值参考数据手册

    举个例子,在 30MHz 的 ADC 时钟;12 位转换精度;3 个周期采样的配置下,允许的最大外部输入阻抗 RAIN = [ ( 3 - 0.5 ) / ( 30M * 4 * 14 * ln2 ) ] – 1.5KΩ = 0.65KΩ。注意,这里的 CADC 和 RADC 的值取自于 STM32Fx 的数据手册。

    参考电压

      为 VREF 提供电压的源的稳定性是影响 ADC 精度的一个重要因素。电源或电压调节器的输出可能会因温度或负载波动等原因而变化。下图表示了 ADC 的参考电压在不同值时导致输出变化的关系。
    在这里插入图片描述
      当 ADC 输入电压超出基准电压,哪怕只有很短的一段时间,它也会向基准电压源注入电流,因此基准电压源必须要能吸取一定量的电流。基准电压源可集成具有足够驱动电流的缓冲器,也可采用适当的运算放大器作为缓冲器。下图是一个典型的精密逐次逼近型 ADC 基准电压源电路:
    在这里插入图片描述
      ADC 基准电压输入端的开关电容具有动态负载,因此基准电压源电路必须能够处理与时间和吞吐速率相关的电流。为避免转换误差,特定吞吐速率下所需的平均电流不应使基准电压下降超过 ½ LSB。

    ADC 误差

      前面说了,基准电压会影响 ADC 的精度,在使用了合适的基准电压芯片之后,参考电压的误差我们暂且不考虑,ADC 本身也会有很多原因造成误差。非理想 ADC 的直流误差主要是偏置电压误差和增益误差。下图是一个三位 ADC 带有偏移和增益误差的理想和实际ADC 转换对比图。
    在这里插入图片描述
      偏移误差是第一次实际转换和第一次理想转换之间的偏移造成的误差。第一次转换发生在数字 ADC 输出从 0 变为 1 时。引入了偏移误差之后,原来 ADC 采样值的公式就可以表示为:ADCsrc = (VIN - Voffsef) * 2n / Vref,n 为 ADC 的有效位数

      增益误差等于从零到满刻度的理想斜率与从零到满刻度的实际斜率之间的差。再引入了增益误差之后,原来 ADC 采样值的公式就可以表示为:ADCsrc = (VIN - Voffsef) * 2n / ( Vref ( 1 - GEADC)),n 为 ADC 的有效位数,GEADC = (实际增益 - 理想增益) / 实际增益

    除了以上两个误差之外,ST 还列举了以下一些误差:

    • 微分线性误差:微分线性误差(DLE)为实际步进和理想步进之间的最大偏离。
    • 积分线性误差:积分线性误差为任何实际转换和端点相关线间的最大偏离。
    • 总未调整误差:总未调整误差(TUE)为实际和理想传输曲线间的最大偏离。

    关于每个误差的解释以及对应的处理,ST 给出的手册中有很详细的说明,这里就不多说,具体参见 《AN2834 Application note How to get the best ADC accuracy in STM32 microcontrollers》

    参考

    1. https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/precision-successive-approximation-adcs.html
    2. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00211314-how-to-get-the-best-adc-accuracy-in-stm32-microcontrollers-stmicroelectronics.pdf
    3. http://news.eeworld.com.cn/mcu/article_2017021933866.html
    4. https://www.ti.com/lit/an/slyt331/slyt331.pdf?ts=1631704840654&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
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  • 电压电流为关联参考方向.PPT

    千次阅读 2020-12-31 10:22:49
    电压电流为关联参考方向.PPT电压、电流关系(VCR): 1、端电流为恒定值(直流电压源)或固定的时间函数(交流电压源),与所接外电路无关; 2、电流源两端的电压则随外电路的不同而变化。 伏安特性曲线: 伏安特性是一条...

    电压电流为关联参考方向.PPT

    电压、电流关系(VCR): 1、端电流为恒定值(直流电压源)或固定的时间函数(交流电压源),与所接外电路无关; 2、电流源两端的电压则随外电路的不同而变化。 伏安特性曲线: 伏安特性是一条平行于电压轴的直线。 u i * * 2、电路元件的物理参数; 4、电路元件的能量特征。 重点: 第2讲 电路基本元件介绍 3、电路元件的电压电流关系(VCR); 1、电路元件的电磁特性; 1.3 电阻元件 一、电磁特性 对电流呈现阻碍作用,消耗电能。 二、线性电阻元件 定义 电压和电流有确定的对应关系,可以用u-i平面上的一条关系曲线(即伏安曲线)表示,且伏安关系是一条通过原点的直线的元件。 电路符号: u i + - R 电压电流关系(VCR): 电压与电流成正比。此即欧姆定律。 u、i 取关联参考方向 u、i 取非关联参考方向 伏安特性: 通过原点的一条直线。 说明: u i 如果电阻的伏安关系不是一条直线,则称为非线性电阻,半导体二极管就是一个非线性电阻器件,当电压、电流为关联方向时,其关系可用下式表示 开路和短路: 当一个二端元件(或电路)的端电压不论为何值时,流过它的电流恒为零值,就把它称为开路。开路的伏安特性在u-i平面上与电压轴重合,它相当于R= ∞或G = 0。 当流过一个二端元件(或电路)的电流不论为何值时,它的端电压恒为零值,就把它称为短路。短路的伏安特性在u-i平面上与电流轴重合,它相当于R= 0或G = ∞。 功率: 电阻的功率恒为正值,说明电阻是耗能元件。 能量: 1.4 电感元件 一、电磁特性 当电流通过线圈时,将产生磁通,是一种储存磁场能量的部件。 二、线性电感元件 如果在任何时刻,通过电感元件的电流i与其磁链?成正比,?-i 特性是过原点的直线,这样的元件称为线性电感元件。 电路符号: + - u (t) i L 电压电流关系(VCR): u、i 取关联参考方向 u、i 取非关联参考方向 VCR表明: 1、电感元件的电压、电流是微分关系,即感应电压与该时刻电流的变化率成正比。 2、倘若电流不变化,即在直流电路中,则电压u = 0,电感相当于短路。 3、实际电路中电感的电压 u为有限值,则电感电流 i 不能跃变,必定是时间的连续函数。 VCR的另一种形式: 表明: 1、电感是一种记忆元件; 2、电感电流具有连续性。 储能: 表明: 某时刻电感的储能取决于该时刻电感的电流值,与电感的电压值无关。反映了电感的储能不能发生跃变。 1.5 电容元件 一、电磁特性 在外电源作用下,两极板上分别带上等量异号电荷,撤去电源,板上电荷仍可长久地集聚下去,能够储存电场能量。 二、线性电容元件 任何时刻,电容元件极板上的电荷q与电压 u 成正比,q - u 特性是过原点的直线。这种电容元件称为线性电容。 电路符号: 电压电流关系(VCR): u、i 取关联参考方向 u、i 取非关联参考方向 C + - u VCR表明: 1、电容元件上电压与电流也是微分关系,电流与该时刻电压的变化率成正比。 2、如果电压不变化,即加上直流电压,则i = 0,电容相当于开路。 3、实际电路中通过电容的电流 i 为有限值,则电容电压u必定是时间的连续函数。 VCR的另一种形式: 表明: 1、电容是一种记忆元件; 2、电容电压具有连续性。 储能: 表明: 某时刻电容的储能取决于该时刻电容的电压值,与电容的电流值无关。反映了电容的储能不能发生跃变。 【例2-1】 + - C 0.5F i 电路如下图所示,求电流i、功率P (t)和储能W (t)。 解: uS (t)的函数表示式为: 2 1 t /s 2 0 uS/V 解得电流为: 2 1 t /s 1 i /A -1 2 1 t /s 2 0 p/W -2 2 1 t /s 1 0 WC /J 若已知电流求电容电压,有 2 1 t /s 1 i /A -1 1.6 电源 一、电压源 1、理想电压源 电路符号 i + - 实际电压源的理性化模型。它忽略了实际电压源的内阻。 电压、电流关系(VCR): 1、端电压为恒定值(直流电压源)或固定的时间函数(交流电压源),与所接外电路无关; 2、通过电压源的电流则随外电路的不同而变化。 伏安特性曲线: 伏安特性是一条平行于电流轴的直线。 u i 功率: 1、电压、电流为关联参考方向 + _ i u + _ 电场力做功 , 电源吸收功率。充当负载。 1、电压、电流为非关联参考方向 + _ i u + _ 电流(正电荷 )由低电位向高电位移动,外力克服电场力作功,电源发出功率。起电源作用

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  • 电压跟随器的作用及特点

    千次阅读 2021-05-21 23:18:30
    二、电压跟随器的作用及特点三、被电压跟随器的坑过的我1、正确思路总结 前言 在做电路的时候经常用到电压跟随器,为什么呢,因为电压跟随器输入阻抗近似无穷大,输出阻抗极小,不仅可以起到隔离的作用,还可以...


    前言

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    在做电路的时候经常用到电压跟随器,为什么呢,因为电压跟随器输入阻抗近似无穷大输出阻抗极小,不仅可以起到隔离的作用,还可以进行阻抗匹配,还可以起到增强电路的带负载能力,可以说是电路必备。
    在这里插入图片描述

    输入输出阻抗的概念大家可以看我这篇博文:
    输入阻抗 输出阻抗

    一、电压跟随器是什么?

    电压跟随器是共集电极电路,信号从基极输入,射极输出,故又称射极输出器。基极电压与集电极电压相位相同,即输入电压与输出电压同相。这一电路的主要特点是:高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1,所以叫做电压跟随器。
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    二、电压跟随器的作用及特点

    那么,电压跟随有什么作用呢?概括地讲,电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。

    共集电路的输入高阻抗,输出低阻抗的特性,使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用,能够使得后一级的放大电路更好的工作。

    电压隔离器输出电压近似输入电压幅度,并对前级电路呈高阻状态,对后级电路呈低阻状态,因而对前后级电路起到“隔离”作用。

    电压跟随器常用作中间级,以“隔离”前后级之间的影响,此时称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。

    电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点,可以极端一点去理解,当输入阻抗很高时,就相当于对前级电路开路;当输出阻抗很低时,对后级电路就相当于一个恒压源,即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路,输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用,即使前、后级电路之间互不影响

    三、被电压跟随器的坑过的我

    说到电压跟随器的隔离作用,博主记忆尤新,原因是有一次在做电路的时候,要测一个特定电路的输出阻抗。方案如下,就是带载和空载的时候各测一次电压值,通过继电器来切换。
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    然后我就用电压跟随器做了这个电路,这个电路看似天衣无缝,实则疏忽大意,原因是电压跟随器隔离了前级电路,同样也隔离了前级电阻。所以这样是测不出来输出电阻的。
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    最后制版出来也是十分可惜,不能用
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    1、正确思路

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    最后制版出来,也是没有问题的,成功测出了输出电阻,这里我是给铜板上了一层金漆,因为最近天气潮湿,刚腐蚀的板子很快就氧化变黑,所以想了这个法子。

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    总结

    什么样的电路中用到电压跟随器呢?滤波电路与放大电路之间需要吗?

    ◆ 电压跟随器的输入阻抗很大,输出阻抗很小,在电路中其阻抗变换的作用。简单理解就是增强信号的驱动能力。

    ◆ 滤波电路如果是有源滤波器,输出阻抗很小(运放输出阻抗小),与放大电路之间不需要加跟随器。

    ◆ 如果是无源滤波器,输出阻抗较大,如果后面放大器是同相放大器,其输入阻抗很大,也无需跟随器。

    ◆ 如果是无源滤波器,输出阻抗较大,如果后面放大器是反向放大器,其输入阻抗较小,需要加跟随器,否则,会影响放大器的精度。

    参考博文:电压跟随器的作用及特点

    好了,今天的分享就到这里,欢迎在评论区下方评论
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  • 什么是电流,电压的关联参考方向?

    千次阅读 2020-12-31 10:22:49
    基尔霍夫第二定律: 电源上的电势升 = 电阻上的电势降 电流的方向 = 电势降低的方向 = 正电压 电压 = 电势差 = 电位差 = 电势降 = 电压降 = ΔV = V₁ - V₂ 【电流、电压的关联参考方向】 1、对于一个电路元件,当...

    满意答案

    电流的方向:

    1、一般的规定:

    正电荷的流动方向为电流方向。

    这种电流为运流电流(Conventional Current Flow),也就是传统电流方向。事实上,现代电磁场理论中的电流方向就是正电荷的流动方向。正电荷的流动方向是由正电荷所受到的电场力的方向决定的:在电场中的任何一点,正电荷受到的电场力是在该点沿着电场强度的切线方向,也就是从高电势指向低电势的方向。

    在磁场中,运动电荷受到洛仑兹力(Lorentz Force)的作用,它就是e.m.f.(Electro-motive Force 感生电动势)的来源,相当于一个内电路,正电荷的流动方向是从低电势流向高电势。

    2、导体内的电流:在导体内,没有正电荷的流动,只是电子的流动。

    这种电流为电子电流(Electron Flow)。

    因为导体中确确实实是电子在流动,根本没有正电荷在流动,即使在半导体里面的“孔穴载流子”(positively-charged holes)也不是事实上的正电荷,只是等价意义上的正电荷。所以有一些人试图“以正视听”,试图将电流的方向改为“电子的流动方向”,质疑是对的,尝试是可贵,然而事实确实不太可行的:首先引起的将使得电磁场中所有涉及到电流本身以及意义上涉及电流的物理量、公式、方程的正负号通通改变,这种情况如同将弧度换成角度后,所有的微积分中有关三角函数的公式通通变得烦不胜烦的情况。这还仅仅是形式上的。

    在半导体理论中,霍尔效应(Hall Effect)就使得这种努力困难重重。因为如果将电流的方向定义为电子流动的方向,也就是将现在的电流方向反过来规定为真正的电流方向,那么一切就应该以新的电流方向作为判断的依据。可

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空空如也

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参考电压的作用