关于单片机读取外部电压ADC阻抗匹配的问题——工程师原创应用笔记

单片机的基准电压一般为3.3V，如果外部信号超过了AD测量范围，采用电阻分压是最为简单的一种方法，然而很多时候你会在阻抗匹配的问题上“踩坑”。比如，SMT32的模数输入阻抗约为10K，如果外接的分压电阻无法远小于该阻值，则会因为信号源输出阻抗较大，AD的输入阻抗较小，从而输入阻抗对信号源信号的电压造成分压，最终导致电压读取误差较大。这样的情况会导致你测量电压的时候，发现有些电压点好像测的挺准，而有些电压点测量的偏差却又很大。

考虑阻抗匹配的问题，对于使用单片机读取外部信号电压，外接分压电阻必须选用较小的电阻，但在对功耗有要求的情况下，你不得不选用大阻值的电压分压后，这时候则需要使用电压跟随器进行阻抗匹配（电压跟随器输入阻抗可达到几兆欧姆，输出阻抗为几欧姆甚至更小）。如果信号源的输出阻抗较大，可采用电压跟随器匹配后再接电阻分压。

当然，你也可以选择外置的ADC芯片，但是在选型时，要留意其类型（SAR型、开关电容型、FLASH型、双积分型、Sigma-Delta型），不同类型的ADC芯片输入阻抗不同。常见的Sigma-Delta型是目前精度最高的ADC类型，也属于开关电容型输入，其所需要注意的问题相对比较多。

1、测量范围问题：SigmaDelta型ADC属于开关电容型输入，必须有低阻源。所以为了简化外部设计，内部大多集成有缓冲器。缓冲器打开，则对外呈现高阻，使用方便。但要注意了，缓冲器实际是个运放。那么必然有上下轨的限制。大多数缓冲器都是下轨50mV，上轨AVCC-1.5V。在这种应用中，共莫输入范围大大的缩小，而且不能到测0V。一定要特别小心！一般用在电桥测量中，因为共模范围都在1/2VCC附近。不必过分担心缓冲器的零票，通过内部校零寄存器很容易校正的；

2、输入端有RC滤波器的问题：SigmaDelta型ADC属于开关电容型输入，在低阻源上工作良好。但有时候为了抑制共模或抑制乃奎斯特频率外的信号，需要在输入端加RC滤波器，一般DATASHEET上会给一张最大允许输入阻抗和C和Gain的关系表。这时很奇怪的一个特性是，C越大，则最大输入阻抗必须随之减小！刚开始可能很多人不解，其实只要想一下电容充电特性久很容易明白的。还有一个折衷的办法是，把C取很大，远大于几百万倍的采样电容Cs(一般4~20PF),则输入等效纯电阻，分压误差可以用GainOffset寄存器校正；

3、运放千万不能和SigmaDelta型ADC直连！前面说过，开关电容输入电路电路周期用采样电容从输入端采样，每次和运放并联的时候，会呈现低阻，和运放输出阻抗分压，造成电压下降，负反馈立刻开始校正，但运放压摆率(SlewRate)有限，不能立刻响应。于是造成瞬间电压跌落，取样接近完毕时，相当于高阻，运放输出电压上升，但压摆率使运放来不及校正，结果是过冲。而这时正是最关键的采样结束时刻。所以，运放和SD型ADC连接，必须通过一个电阻和电容连接（接成低通）。而RC的关系又必须服从datasheet所述规则；

4、差分输入和双极性的问题：SD型ADC都可以差分输入，都支持双极性输入。但这里的双极性并不是指可以测负压，而是Vi+ Vi-两脚之间的电压。假设Vi-接AGND，那么负压测量范围不会超过-0.3V。正确的接法是Vi+ Vi- 共模都在-0.3~VCC之间差分输入。一个典型的例子是电桥。另一个例子是Vi-接Vref，Vi+对Vi-的电压允许双极性输入

作者介绍：雕塑者（笔名），一名乐于开源文化的工程师，个人公众号【硬件大熊】。后续原创技术应用笔记还将在我爱方案网上线，敬请期待！

来源：我爱方案网

版权声明：本文为博主原创，未经本人允许，禁止转载！