计算开关电容ADC的建立时间

CYGNAL应用笔记AN019计算开关电容ADC的建立时间相关器件本应用笔记适用于下列器件C8051F000C8051F001C8051F002C8051F005C8051F006C8051F007C8051F010C8051F011C8051F012C8051F015C8051F016C8051F017C8051F206C8051F220C8051F221和C8051F226引言很多Cygnal器件具有片内模/数转换器ADC这些ADC使用一个采样电容该电容被充电到输入信号电压由SAR逻辑进行数据转换由于存在ADC采样电容输入阻抗和外部输入电路采样电容需要经过一个建立时间才能达到被测输入信号电压本应用笔记介绍一种计算有效ADC测量所需建立时间的方法和为满足建立时间需求要采取的一些措施关键点一个应用必须考虑片内ADC电路和片外输入电路例如反混叠滤波器的建立时间ADC输入电路的最小建立时间是1.5µs使用戴维南等效输入电路估算对应所需精度的建立时间需求输入信号外部输入电路10pF5kADCAMUXC8051Fxxx(例如,反混叠滤波器)输入引脚SAR逻辑图1.用于估算建立时间的ADC等效电路CYGNALIntegratedProducts,Inc.沈阳新华龙电子有限公司4301WestbankDrive沈阳市和平区青年大街284号58号信箱SuiteB-100Copyright©2001CygnalIntegratedProducts,Inc.电话0242393036623940230Austin,TX78746版权所有电邮[e-mail])2/()2(==⋅=RRCC2RC/2输入信号电压输入信号电压两个输入有相同的阻抗(R)和电容(C)时间常数值与单端电路相同都是R*C戴维南等效电路图2.差分测量时的时间常数确定建立时间一个给定应用所需要的建立时间由ADC输入电路外部电路例如反混叠滤波器和ADC的建立时间技术指标决定如果不能满足建立时间要求ADC可能达不到数据表中给出的技术指标为了计算建立时间需求我们必须考虑ADC输入电路和外部电路的建立时间以及ADC技术指标所要求的最小建立时间2AN019-1.0MAY01©2001CygnalIntegratedProducts,Inc.AN019计算开关电容ADC的建立时间最小建立时间指标Cygnal的ADC技术指标要求1.5µs的跟踪时间尽管图1给出了用于估算建立时间的等效电路但实际的ADC外设会有很多的元件影响建立时间例如开关电容传输门等因此规定的最小建立时间是1.5µs如果用图1中的等效电路或外部电路计算出的建立时间大于1.5µs则建立时间将由外部元件决定ADC输入电路的建立时间因为ADC的等效输入跟踪电路是一个RC电路所以我们将根据时间常数计算建立时间用时间常数的倍数表示建立时间是很有用的建立时间被规定为精度达到LSB的一个分数所需要的时间NrefVLSB2=方程1.LSB代码宽度计算为了计算采样电容的电压稳定在输入电压LSB/4的时间t,我们导出一个计算方程)1()(/tineVtV−−⋅=其中Vin是器件输入引脚的输入电压时间常数是τ=RC方程2.ADC跟踪电路充电电压我们解方程得到用时间常数τ表示的时间t−−=inVtVt)(1ln方程3.以时间常数τ表示的建立时间假设输入电压是一个满度阶跃输入Vin=Vref计算输出达到输入电压1/4LSB以内所对应的的电压)4211()(41⋅−⋅=NrefLSBVtV其中N是ADC位数方程4.达到被测输入电压1/4LSB之内的输出电压将方程4代入方程3并假设输入电压是一个满度阶跃输入Vin=Vref我们得到下面的结果©2001CygnalIntegratedProducts,Inc.AN019-1.0MAY013AN019计算开关电容ADC的建立时间)421ln(⋅−=Nt其中N是ADC位数方程5.稳定在1/4LSB之内所需要的时间假设使用12位的ADC则上面的方程5变为ττt7.9)4.4096ln()440961ln(==⋅−=注意这是针对12位ADC和1/4LSB精度的情况如果我们使用8位的ADC并希望达到1/8LSB的精度则方程5变为6.7)8256ln(=⋅=t如图1所示我们估计方程2中的电阻和电容为R=5kΩC=10pF用R和C的值代入得到τ=50ns因此12位ADC和1/4LSB精度情况下的建立时间约为500ns8位ADC和1/8LSB精度情况下的建立时间约为380ns但是ADC的最小建立时间指标是1.5µs对这两种情况而言ADC建立时间指标决定系统的建立时间外部电路建立时间当外部电路连接到模拟输入引脚时建立时间可能会受影响外部电路通常都包含一个反混叠滤波器用于滤出会混叠到有用信号带宽的高频噪声有很多种不同的滤波器设计所有这些滤波器都将影响输入阻抗并具有一定的建立时间外部电路的电容和输出阻抗将影响建立时间反混叠滤波器应设计为能驱动ADC输入电路中大约10pF的电容在计算ADC测量的建立时间时必须考虑这些影响如果输入滤波器的建立时间特别长则该建立时间将决定系统的建立时间外部电路举例下面是常见的与ADC输入接口的外部电路实例1无源RC反混叠滤波器这类低通滤波器使用无源元件电阻和电容单极点无源滤波器具有较高的阻抗和较长的建立时间但是如果滤波器的电容比采样电容的数量级高则滤波器电容会对采样电容快速充电一旦滤波器的建立时间得到满足应用系统将切换到那个输入滤波器电容可以在内部ADC电路的建立时间指标1.5µs之内完成对采样电容的充电RfilterCfilterRsampleCsampleCfilterCsample,模拟输入引脚时间常数主要由RsampleCsample决定如果输入图3.无源反混叠滤波器4AN019-1.0MAY01©2001CygnalIntegratedProducts,Inc.AN019计算开关电容ADC的建立时间2有源反混叠滤波器这类滤波器使用运算放大器运放和电阻电容实现低通滤波器这些滤波器形成很好的缓冲级因为他们具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗运放可能会引入某些噪声因此在用运放设计滤波器时应参见生产厂商提供的数据表中的相关信息C2R1R2+_VinRsampleCsample=R2C2模拟输入引脚时间常数运放图4.有源反混叠滤波器3测量传感器电路传感器提供与被测参数例如压力或重量成正比的测量电压这类器件通常是高阻抗电路可以等效为一个电压源和一个大电阻在这种情况下建立时间由传感器的阻抗决定RsampleCsampleRtrans=(Rtrans+Rsample)Csample模拟输入引脚时间常数传感器电压图5.传感器电路的等效电路保证建立时间技术指标的方法有多种不同的方法可用于保证跟踪电路和外部电路的建立时间要求避免建立时间错误的最佳方法取决于特定的应用低功耗跟踪方式低功耗跟踪方式是保证最小建立时间要求得到满足的一种有用的方法通过将特殊功能寄存器ADC0CN中的ADCTM位设置为1使ADC工作于低功耗跟踪方式如果在一次转换被启动时ADC处于低功耗跟踪方式则器件在进行数据转换前会自动跟踪3个SAR时钟周期因为最大SAR时钟频率的技术指标是2MHz所以3个SAR时钟周期将至少需要1.5µs因此当使用低功耗跟踪方式时最小建立时间指标可以得到满足图6和图7中的低功耗跟踪方式时序图给出了相对于SAR时钟的跟踪和转换时序以及启动跟©2001CygnalIntegratedProducts,Inc.AN019-1.0MAY015AN019计算开关电容ADC的建立时间踪/转换过程的触发源图6给出了使用外部CNVSTR信号触发源的时序图7给出了使用软件触发源ADBUSY定时器2溢出或定时器3溢出的时序手动控制建立时间一旦AMUX被设置为对一个输入引脚采样跟踪电路将开始对采样电容充电外部电路应被设计为能驱动跟踪电路中的10pF电容建立时间最好在1.5µs以内如果不使用低功耗跟踪方式特殊功能寄存器ADC0CN中的ADCTM位为0ADC将对输入信号连续跟踪一个启动转换信号将立即启动一次数据转换数据转换需要16个SAR时钟周期时序图示于图6和图7用户必须正确计算建立时间并通过软件定时器2溢出定时器3溢出或ADBUSY=1或外部信号CNVSTR启动一次转换12345678910111213141516CNVSTR(ADSTM[1:0]=10)ADCTM=1ADCTM=0跟踪低功耗方式转换转换跟踪或转换跟踪低功耗或转换SAR时钟图6.使用外部CNVSTR触发源的低功耗时序图(ADSTM[1:0]=00,01,11)ADCTM=1ADCTM=01234567891011121314151617181912345678910111213141516跟踪或转换低功耗或转换定时器2定时器3溢出写1到ADBUSYSAR时钟SAR时钟跟踪转换转换跟踪低功耗方式图7.使用软件触发源的低功耗时序图多个ADC输入很多应用通过切换ADC输入模拟多路开关AMUX使用一个ADC测量几个参数这是一个有用的技术但是在切换AMUX设置即改变ADC的输入时必须考虑建立时间指标每次应用软件从一个ADC输入切换到另一个时在启动ADC转换之前必须有至少1.5µs的建立时间注意如果在切换输入通道和启动数据转换之间没有等待合适的建立时间会出现采样前一输入通道的现象这是因为采样电容仍保持着与最后一次数据转换几乎等量的电荷我们建议将ADC置于低功耗跟踪方式并在切换ADC设置之后启动ADC转换这样一来在用AMUX改变ADC输入之后ADC将在转换之前进行3个SAR时钟周期的跟踪6AN019-1.0MAY01©2001CygnalIntegratedProducts,Inc.AN019计算开关电容ADC的建立时间低功耗应用如果设计者希望使用节电方式例如等待方式建议同时使用低功耗跟踪方式以保证器件被唤醒时最小建立时间要求得到满足在两次采样之间MCU被置于节电方式器件在ADC转换完成后回到正常方式对ADC样本进行处理和存储如果应用软件查询ADBUSY位则MCU必须在数据转换期间也处于正常方式ADC在进行3个SAR时钟周期的跟踪后进行数据转换在样本被处理完之后MCU又重新被置于节电方式当在低功耗应用中使用ADC时即只在需要进行样本处理时将器件从等待方式唤醒低功耗跟踪方式可以用于保证最小建立时间要求得到满足见下面的图8此外在器件工作于节电方式时外部电路的建立时间也可以得到满足例如在器件处于节