基于单片机读取外部电压ADC阻抗匹配问题之浅析

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，可以采用电阻分压的方法，但是要注意阻抗匹配问题。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。

因此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，或者在对功耗有要求的情况下，可选用大阻值的电压分压后，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。

对于外置的ADC芯片，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——

1、SAR型：这种ADC内阻都很大，一般500K以上。即使阻抗小的ADC，阻抗也是固定的。所以即使只要被测源内阻稳定，只是相当于电阻分压，可以被校正；

2、开关电容型：如TLC2543之类，其要求很低的输入阻抗用于对内部采样电容快速充电。这时最好有低阻源，否则会引起误差。实在不行，可以外部并联一很大的电容，每次被取样后，大电容的电压下降不多。因此并联外部大电容后，开关电容输入可以等效为一个纯阻性阻抗，可以被校正；

3、FLASH型（直接比较型）：大多高速ADC都是直接比较型，也称闪速型（FLASH），一般都是低阻抗的。要求低阻源。对外表现纯阻性，可以和运放直接连接；

4、双积分型：这种类型大多输入阻抗极高，几乎不用考虑阻抗问题；

5、Sigma-Delta型：这是目前精度最高的ADC类型，需要重点注意如下问题：

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；

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。

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。

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