ADC参考电压的选择——比率还是绝对

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      本文主要描述在ADC电路中参考电平的设置是如何影响ADC的输出的。其中，所谓比率参考电路是指电路中被测件（如传感器）的激励电压和后端检测ADC电路的参考电压是同一个电压源的这种情况；而绝对参考电路是指被测件的激励电压与后端检测ADC电路的参考电平是两个独立的、而且在很多情况下是不不相等的电压配置。如图-1中的分压电路示意。

      可得分压电阻值为：

•       绝对/独立电平参考：Vcc1 和 Vcc2是由两个独立电压源提供。即Vcc1的变化不会引起Vcc2的变化。

• 比率参考电平：Vcc1和Vcc2 是两个物理上相同的电压源，或者至少是不独立，Vcc1的变化会引起Vcc2的相同比例的线性变化，反之也成立。

  

§       ADC绝对参考电平

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      图-1中，是指传感器的激励电压Vcc和ADC的参考电压Vcc2（以Vref替代）是两个独立的电压。忽略ADC本身的误差特性，理想情况下，ADC的输出有：

      在式-1中，我们发现，无论是激励电压Vcc1还是ADC参考电平Vref 其中任何一个发生变化，都将直接影响ADC的输出值。如果只考虑稳态特性，使用者必须要考虑其信号采集电路中，两个独立供电电压的稳定性。通常情况下，需要两路稳定性满足精度要求的稳压源，而且要保证其长期稳定性，否则测量值同样存在漂移的可能。

§       比率参考方式下的ADC输出，即当：

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比率方式下的ADC，即当：Vcc1 = Vref = Vcc时，激励电压Vcc和参考电压Vref是源于同一个电压。同样，在忽略ADC固有的转换误差，不考虑动态特性，仅考虑稳态输出的情况下，则ADC输出有：

      其中：n是ADC转换的有效位数。

      从ADC的结果可以发现，这时的参考电平和激励电压与最后的输出值没有关联。即输出和激励不影响ADC的输出（静态）。现在我们再回头考虑非理想ADC在静态条件下需要考虑影响精度的还有什么其它因素。包括ADC的零点失调误差V_ADC_Offset，增益误差GainError_ADC，以及线性度误差等。为简化分析，我们设定的增益误差为单位增益（1）下的误差GainError_ADC。则有ADC输出：

式-3中：

式-3中：增益设为单位增益1。

在很多应用中，以上几种ADC的内在误差可以在满足精度条件下，或者经过初始化、校准之后被忽略。因此，依旧可以认为有公式-2得到ADC的结果。这就是为什么在一定条件下为什么使用比率方式的ADC电路可以简化设计，并且同时可以节省成本和板子的空间。但是我们一定要注意到，比率参考电平的使用，仅仅针对信号变化与激励电压呈线性比例的情况下才可以成立。

因为ADC的过程中，总有采样保持及转换过程。理想情况下，要求在采样之后进行ADC转换期间，ADC的参考电平最多变化不超过(+/-1)/2bit的量，才可以保持ADC输出不受影响。当然，有时候即使相差一两个bit对测量没有大的影响也是可以接受的。但特点也很明显，对于比率参考电路，如果ADC转换期间，同是参考电平的供电电压因为被检测电路过渡干扰，则会影响ADC的转换精度，因此，激励电源的稳定性同样需要得到保证。对于一些用电变化尤其较大的被检电路，供电电压相对于被采样信号变化太快，则不太适合采样比率方式的ADC。这也是为什么ADC一直要求提供稳定的参考电平。

§       举例

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1. 如图-1所示的NTC测温用分压电路.
2. 惠斯通电桥架构的传感器

      在图-2中，一个惠斯通电梯的差分输出信号∆V如下：

      对于电阻是这样，对于典型的硅压阻电桥，实际情况因为灵敏度温度系数、电桥桥臂阻值的温度系数等共同作用，电桥的输出会呈现一种复杂的负载压力、激励及温度之间的相互影响的非线性关系。因此，我们设定如果温度影响可以先消除之后，在一定条件下，其输出差分电压∆V也是与激励电压成比例的。和差分输出一样，硅压阻的零点V_offset的输出也这个时候也是可以认为与整个电桥的激励保持比例关系。这就是硅压阻传感器温度补偿的意义所在。在这种设定下，我们可以看到放大后的电压输出V_ADC和激励电压之间的关系如式-6。

其中：

1. S_Offset是标幺化的零点输出，理想情况下温补校准后只和电桥的激励电压有关，实际应用中和温度也有关，讨论电压比率时不考虑温度影响。单位是uV/V；
2. So是标幺化的压力输出灵敏度，单位是uV/V/Pa；
3. P是施加的负载压力；
4. G是信号放大部分的增益。

 

     当ADC的转换位数为n时，可得ADC值：

      其中如果使用了比率参考电平的方式，即当V_ref = Vcc时，ADC的值为：

      理想情况下，这个方程告诉我们，ADC的输出这个时候是不受激励电压的影响的。当然这个除了前面提到的实际应用中必要的温度补偿外，还要留意激励电压的稳定性要求。在后续我们会了解到，安费诺传感器的硅压阻压力传感器，以及经过初步电阻网络做了温补和校准之后的输出都是与激励电压或者电流呈成正比的。具体的后端ADC参考电平选择，需要根据应用情况而定。

      我们还要考虑一个变量，那就是在其它配置仍然为比率供电的情况下，仪表放大器电路中常见的偏置电压Vbia。

•       该偏置电压如果是一个定值且和Vcc无线性关系，则V_ADC将不再与Vcc成比例。
  •       如果该偏置电压也是和Vcc相关，比如是通过Vcc的电阻分压获取，则V_ADC仍然是比率信号。因为：

    • 

            这里k为电阻分压系数。

      此时V_ADC有：

      由式（5），（6）：

      由于式（9）中右侧都是常数，所以ADC的值和参考/激励电平也无关。

 

§       两种参考电平配置的比较：

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ADC参考电平方式	优点	缺点
绝对电平	1.可以针对所有的信号检测类型 2.ADC期间不受被检信号激励电压的变化影响	需要独立或者相对独立的稳压电路，并且要求参考及偏置电压等尽可能满足应用中的稳定值。成本增加。
比率方式	1.简化了设计，使用同一个电源即可满足应用中多个参考电压的需求，节省了空间与成本；2.即使电压有变动，对于ADC转换的影响也有限。	1.要求各电压具有关联或者相同的变化趋势；2.激励电压与北侧信号呈线性比例关系；3.电平的变化应该在允许的幅频范围之内，与被测信号也需要匹配。