【導(dǎo)讀】3月22日消息，當(dāng)今復(fù)雜的分布式系統(tǒng)正在采集和分析更多的模擬數(shù)據(jù)，同時(shí)還提供監(jiān)控和診斷功能。隨著這些系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，對精確測量模擬信號的關(guān)鍵需求不斷增加。為了更好地滿足這些精度要求，設(shè)計(jì)人員往往要在集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的微控制器(MCU)和獨(dú)立的ADC之間做出選擇。那么，集成ADC和獨(dú)立ADC之間有什么區(qū)別，哪個(gè)更適合你的應(yīng)用呢？
首先，讓我們探討一下集成式和獨(dú)立式ADC的性能權(quán)衡，然后我們可以確定如何為您的應(yīng)用做出正確的選擇。
集成式ADC：性能權(quán)衡
工藝技術(shù)
讓我們從做集成ADC的設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體集成電路（IC）工程師的角度來看ADC。由于ADC是MCU的外設(shè)，所以集成ADC設(shè)計(jì)者會(huì)傾向于使用MCU友好的工藝，比如小幾何28-nm工藝，它為MCU提供了良好的數(shù)字密度和高速晶體管。雖然小幾何工藝也可以減小ADC的尺寸，但這種方法有很大的折衷。
由于工藝成本大幅提高，ADC的相對成本將增加。
工藝上可用的元件尺寸將增加ADC的固有噪聲，特別是熱噪聲，或kT/C噪聲。
ADC設(shè)計(jì)中用于降低熱噪聲的較大電容將成為較小幾何工藝的重要設(shè)計(jì)限制（在較小幾何上實(shí)現(xiàn)模擬性能所需的元件在幾何上更具挑戰(zhàn)性）。
較小幾何尺寸的電容器將在設(shè)計(jì)中引入漏電和非線性。
匹配問題不像大幾何工藝（如90納米或180納米）那樣可控，將導(dǎo)致制造工藝缺乏控制，以及ADC參數(shù)性能的變化。
小幾何工藝的另一個(gè)挑戰(zhàn)是1/f噪聲。1/f噪聲在低頻時(shí)占主導(dǎo)地位，并且從dc開始大約以1/√(頻率)的系數(shù)下降。在較高的頻率下，白噪聲在一個(gè)稱為角頻率的點(diǎn)上開始主導(dǎo)1/f噪聲(圖1)。如果設(shè)計(jì)者想通過使用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)（如平均或過采樣）來提高性能，他們需要確保他們的采樣值只包含白噪聲而不是1/f噪聲。
1. 白噪聲是噪聲頻譜的平坦部分：1/f噪聲存在于較低的頻率，在角頻率處大約上升出白噪聲。
較小的幾何過程與較大的幾何過程的問題是，角頻率偏高--明顯偏高。這正是為什么數(shù)字濾波技術(shù)，如平均或過采樣，在高1/f角頻率的系統(tǒng)中不能提高系統(tǒng)性能。事實(shí)上，在某些情況下，數(shù)字濾波技術(shù)會(huì)降低系統(tǒng)性能。簡而言之，工藝的局限性將最終決定ADC的可實(shí)現(xiàn)性能(圖1，再次)。
IC布局
如果MCU被拼裝在ADC旁邊的IC上，ADC的模擬性能將受到以下影響：
快速開關(guān)的MCU將把開關(guān)噪聲和接地反彈引入電路，特別是由于尺寸縮小到IC的面積，使得問題成倍地難以解決。
時(shí)鐘同步和管理技術(shù)可用于將這些影響降至最低，但外設(shè)和異步事件的相互作用仍會(huì)影響ADC性能。
溫度
第三個(gè)挑戰(zhàn)是模擬性能的最大敵人之一：溫度。坐在ADC旁邊的MCU會(huì)像一個(gè)可變的溫度源，從高速有源電源（熱）到待機(jī)、睡眠或休眠（不那么熱）。這樣的溫度變化會(huì)導(dǎo)致電子電路（尤其是模擬電路）發(fā)生不好的事情。
為了在時(shí)變的溫度環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的性能，需要增加溫度補(bǔ)償電路。這就增加了系統(tǒng)的尺寸和成本，這是集成ADC難以承受的奢侈品。
測試成本
MCU是數(shù)字設(shè)備，因此，它們在數(shù)字測試平臺(tái)上使用數(shù)字測試矢量進(jìn)行測試。數(shù)字測試方案經(jīng)過優(yōu)化，在最短的測試時(shí)間內(nèi)對數(shù)字參數(shù)進(jìn)行測試，以在最少的時(shí)間內(nèi)通過最多的單元量。
如果這些數(shù)字測試平臺(tái)具有模擬測試能力，往往是有限的、低性能的模擬測試能力。這就使得測試平臺(tái)缺乏精度和噪聲，難以測試模擬性能的水平。這就是為什么MCU上模擬外設(shè)的規(guī)格通常是 "通過設(shè)計(jì)保證 "或 "通過特性化保證"。這些測試器的其他一些限制因素是：
它們通常只能測試模擬功能，或者說模擬在做什么，而且通常沒有能力準(zhǔn)確測試模擬在溫度上的性能。
測試儀的限制隨后限制了ADC的性能規(guī)格（如果你的測試儀只有100-ksample/s、8位的能力，你就無法測試指定為1-Msample/s、12位ADC性能的器件）。
在數(shù)字測試平臺(tái)上增加精密模擬測試能力是不實(shí)際的。它需要增加一個(gè)數(shù)量級的測試成本，這將使器件成本有相應(yīng)的增加。
獨(dú)立的ADC：性能權(quán)衡
工藝技術(shù)
對于獨(dú)立的ADC，由于ADC是主要元件，而MCU是ADC的外設(shè)，因此IC設(shè)計(jì)者可能會(huì)選擇使用對ADC友好的制程，如180納米制程，為ADC提供更大的匹配良好的元件。然而，這種工藝有一個(gè)基本的折衷，將限制ADC的性能。
通過使用更大的幾何工藝，設(shè)計(jì)者將不會(huì)擁有針對數(shù)字處理或串行通信的優(yōu)化工藝。相反，它將不得不依靠模擬設(shè)計(jì)和布局技術(shù)來確保數(shù)字性能。這種缺乏小數(shù)字密度和速度優(yōu)化的情況將增加器件的成本，數(shù)字性能將受到工藝的限制。
IC布局
在管理噪聲方面，獨(dú)立的ADC與集成ADC方式相比有兩個(gè)優(yōu)勢。
器件上的其他外設(shè)不會(huì)影響模擬性能。
開關(guān)噪聲可以得到管理，因?yàn)殛P(guān)鍵的模擬功能可以在時(shí)鐘安靜時(shí)執(zhí)行。
溫度
同樣，模擬性能的最大敵人是溫度，但獨(dú)立ADC在這種情況下比集成ADC更有優(yōu)勢，因?yàn)椤?/div>
ADC旁邊沒有時(shí)間變化的溫度源（比如MCU）。
由于這個(gè)過程是模擬友好的，所以可以很容易地添加模擬友好的溫度補(bǔ)償電路，以盡量減少溫度變化的影響。
測試成本
ADC是模擬器件，因此要在模擬測試平臺(tái)上使用精密模擬設(shè)備進(jìn)行測試。但是，這也有大大增加測試成本的因素。
與數(shù)字測試平臺(tái)不同的是，數(shù)字測試平臺(tái)在測試機(jī)之間有嚴(yán)格控制的變化，而模擬測試平臺(tái)往往在負(fù)載板、模擬信號發(fā)生器和模擬測量系統(tǒng)之間有很多變化。由于需要校準(zhǔn)，這通常會(huì)增加測試成本。另外，為了保證模擬電路在溫度上的性能，模擬電路的補(bǔ)償技術(shù)通常需要在最終測試時(shí)進(jìn)行溫度修整，以保證低溫漂移。
現(xiàn)在我們知道了混合信號和模擬的折衷，那么它們是如何影響準(zhǔn)確度和精度的呢？
準(zhǔn)確度和精度
準(zhǔn)確度和精密度是兩個(gè)經(jīng)?；Q使用的術(shù)語，但它們的含義卻截然不同。準(zhǔn)確度是指測量值與實(shí)際值相匹配的能力，在試圖測量一個(gè)特定的值時(shí)需要。精度是指測量值持續(xù)重現(xiàn)的能力，換句話說，是指測量的可重復(fù)性。測量的精度越高，就越能分辨出較小的差異。
例如，考慮一個(gè)體重秤。如果把1.000金衡盎司的金子放在秤上，測了三次，分別表示1.001、1.000和1.000，那么這就是高精度（0.0005-盎司標(biāo)準(zhǔn)差）和高精度（平均后誤差0.03%）。如果不同的秤得到的讀數(shù)是1.018、1.017和1.018盎司，那么這仍然算是精度高（0.0005-盎司標(biāo)準(zhǔn)差），但精度較低（1.8%的誤差）。
那么，精度和準(zhǔn)確度哪個(gè)更重要呢？嗯，這取決于應(yīng)用，但有很多情況下，精度和準(zhǔn)確度都需要。
準(zhǔn)確度
要確定您是否需要精度，首先要了解傳感器在您的應(yīng)用中是如何使用的。讓我們考慮一個(gè)使用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻進(jìn)行溫度測量的例子。在NTC的電阻與溫度圖中，首先突出的是該器件的非線性（圖2）。
2. 熱敏電阻溫度特性曲線說明了對電阻變化的溫度響應(yīng)。
如果設(shè)計(jì)者只需要在較低的環(huán)境溫度下測量NTC，那么可以使用較低分辨率的ADC。如果需要測量整個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫度，那么必須考慮較高環(huán)境溫度下的最壞情況，這意味著要使用分辨率高得多的ADC。
要將其等同于系統(tǒng)精度，就要定義溫度范圍，并計(jì)算該范圍內(nèi)需要多少溫度精度。溫度范圍將被轉(zhuǎn)換為ADC的模擬電壓輸入范圍。精度將是應(yīng)用所能容忍的測量模擬輸入的最小偏差。
精度
其次，考慮精度。理想情況下，精度需要優(yōu)于精度。如果在系統(tǒng)的反饋回路中使用溫度讀數(shù)，那么反饋回路應(yīng)該非常穩(wěn)定。如果精度比準(zhǔn)確度差，那么反饋環(huán)路可能會(huì)不穩(wěn)定。
ADC衡量精度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)
影響精度的重要ADC規(guī)格是積分非線性、微分非線性、偏移、偏移漂移、增益和增益漂移。為了確定精度，需要評估這些誤差源的貢獻(xiàn)。同樣，精度由術(shù)語有效位數(shù)（ENOB）定義。它告訴你在一組ADC讀數(shù)中看到的與真實(shí)平均值的偏差。換句話說，您所獲得的68.3%（或與平均值的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差）的ADC讀數(shù)將落在ENOB定義的范圍內(nèi)。
為了說明這一點(diǎn)，讓我們回到NTC的例子。假設(shè)NTC的輸出在整個(gè)溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)為線性，在-40°C時(shí)給出0 V，在85°C時(shí)給出2.5 V，而我們希望以1°C的精度進(jìn)行測量。因此，在125°C范圍內(nèi)的1°C精度就是整個(gè)范圍內(nèi)的0.8%精度。
假設(shè)我們有一個(gè)12位的ADC，總誤差為1 LSB，輸入范圍為2.5 V，那么從ADC測量的精度可以預(yù)期為1/4096或0.024%或2.5 V/4096位或610 µV/bit，這是所需精度的33倍。因此，從理論上講，一個(gè)12位ADC應(yīng)該有足夠的精度來滿足這些要求。
現(xiàn)在讓我們仔細(xì)看看一個(gè)新發(fā)布的MCU內(nèi)的12位、400-ksample/s集成ADC的例子。
在其數(shù)據(jù)表中，總未調(diào)整誤差(TUE)規(guī)定為-40至85℃的±1.8%。一個(gè)6位ADC的總誤差為1LSB，其精度為1.6%，那么12位ADC的其他6位呢？不僅如此，誤差也可以是正的或負(fù)的--ADC的讀數(shù)可能有3.6%或90-mV的變化。在這種情況下，隨溫度變化而產(chǎn)生的大的增益誤差對降低精度有很大的貢獻(xiàn)。這種較大的精度誤差是工藝技術(shù)固有限制的副產(chǎn)品。
事實(shí)上，在閱讀集成ADC的數(shù)據(jù)表時(shí)要非常小心。在某些情況下，由于集成ADC的噪聲、漂移和集成電壓基準(zhǔn)的性能差，集成ADC的數(shù)據(jù)表只規(guī)定了使用外部電壓基準(zhǔn)的ADC性能，這就違背了使用集成模擬元件的目的。因此，在這種情況下，集成ADC的精度還不夠好，無法滿足我們0.8%的要求。
那么，集成ADC的精度呢？從精度規(guī)格來看，ENOB為11.1位，相當(dāng)于2.5-V模擬輸入信號的分辨率約為1.1-mV。精度是其精度的80倍左右。其結(jié)果是，集成ADC的誤差為90.7 mV，精度約為1.1 mV rms。通過使用外部參考，可以提高集成ADC的精度。但是，由于ADC的指定方式，外部參考能提高多少精度性能還不得而知。
接下來，可以考慮獨(dú)立的ADC，比如Microchip Technology的MCP33141-10。
從這個(gè)12位、1-Msample/s的ADC的精度來看，計(jì)算TUE并與集成ADC進(jìn)行比較。在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi)，TUE相當(dāng)于±0.06%。這比集成ADC的精度高30倍，而且是在更寬的溫度范圍內(nèi)。在精度方面，獨(dú)立ADC的ENOB為11.8位，所以在這個(gè)例子中，獨(dú)立ADC的精度比它的精度好4倍左右。結(jié)果是，獨(dú)立ADC的誤差為2.9 mV，精度約為0.7 mV rms。
在這種比較中，集成式ADC和獨(dú)立式ADC的精度非常接近（見表）。然而，即使集成ADC的精度很高，也無法達(dá)到1%的精度要求。只有獨(dú)立的ADC能夠滿足NTC溫度傳感器的1℃或0.8%的溫度精度要求。
準(zhǔn)確度和精確度的系統(tǒng)考慮
只看ADC的精度的問題是，它沒有考慮使用ADC的系統(tǒng)（或系統(tǒng)）中的變量。如果ADC是準(zhǔn)確和精確的，那么ADC的輸出將在所有設(shè)備和所有條件下保持一致，而不是只對某一設(shè)備或某一條件保持一致。
因此，如果不需要系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或系統(tǒng)需要工作的所有條件之間的精度或一致性，那么使用集成ADC的優(yōu)勢在于降低復(fù)雜性、尺寸和價(jià)格。使用集成ADC的復(fù)雜性會(huì)更低，因?yàn)椴恍枰_發(fā)軟件來連接外部ADC，也不需要考慮模擬和數(shù)字信號進(jìn)出ADC的位置和路由。將ADC與MCU集成在一起，意味著整個(gè)電路板的面積也將更小。此外，具有集成ADC的MCU的價(jià)格通常低于MCU和獨(dú)立ADC的綜合價(jià)格。
但是，如果在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或在系統(tǒng)需要工作的所有條件下都需要精度、準(zhǔn)確度和一致性，那么在ADC的選擇上就要非常謹(jǐn)慎。不要做一個(gè)落入陷阱的設(shè)計(jì)者，認(rèn)為器件變化會(huì)很小，可以用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)來補(bǔ)償不準(zhǔn)確或不一致的模擬性能。請記住，由于工藝的固有限制，數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)有可能降低系統(tǒng)的精度，同時(shí)增加復(fù)雜性。
另外，確保ADC和電壓基準(zhǔn)不僅規(guī)定了精度，而且規(guī)定了溫度下的精度。如果ADC沒有指定溫度下的精度，那么工藝、制造、測試和溫度變化在系統(tǒng)中顯示為誤差的風(fēng)險(xiǎn)就很高。更糟糕的是，這些變化并不是確定的。一個(gè)設(shè)備可能具有顯著的正增益漂移，而另一個(gè)設(shè)備可能表現(xiàn)出顯著的負(fù)增益漂移。這些廣泛的變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
當(dāng)在集成ADC和獨(dú)立ADC之間做出決定時(shí)，只是在成本、精度和性能的一致性之間做出選擇。一旦你定義了所需性能的精度或一致性，那么選擇就變得簡單了。
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