纳芯微丨ADC 采样电压为何偏离理论值？实时控制 MCU/DSP 输入阻抗解析

　　“为什么我在学习板/开发板上面测试都是正常的，上工程样机的时候，ADC采样就会有问题?”

　　工程师在使用DSP进行ADC采样测试的时候，有可能会遇到以上难以理解的问题。导致ADC采样不准确的因素众多，本文将着重讨论其中一种影响因素——输入阻抗对ADC采样的影响。

　　下文将以纳芯微实时控制MCU/DSP NS800RT503x 系列芯片为例，结合分压采样电路设计与实测现象，解析输入源阻抗对 ADC 采样精度的影响，帮助工程师更好地完成 ADC 采样电路设计与参数匹配。

　　01

　　ADC电压采样范围

　　ADC的电压采样范围由其参考电压决定。当参考电压为3V，ADC的采样范围为0~3V。对于NS800RT503x系列芯片，ADC默认使用外部参考电压，接入的外部参考电压应在1.65V~3.3V之间，或者通过软件，选择使用内部的1.65V或2.5V参考电压。

　　如何测量输入电压

　　小电压测量当检测电压在0-5V范围内时，可通过两个电阻进行简单的分压，并通常在 ADC 输入端并联电容进行滤波，如下图所示。

　　Ui为检测端电压，Uo为ADC的输入端电压：

　　分压后的Uo电压应小于或等于ADC的参考电压。

　　同时，需要考虑分压电流大小，电流最大为20mA，且ADC的输入阻抗不宜过大(相关原因将在下文进行分析)。通过ADC采集到分压后的电压，可进一步换算得到输入端电压。如采集到的电压为xV，则输入端的电压为：

　　图1-ADC分压输入

　　大电压测量对于450V的高电压，仅使用两个电阻进行分压并不适用，需考虑单个电阻的额定功率和耐压值。

　　电阻的功率(P)计算公式为：P=UI

　　当大电压加在单个电阻上时，会导致其功率超过额定值，电阻发热。因此，需要使用多个电阻进行分压，ADC获取的数值与上节同理，可推出输入端电压。如下图所示，450V的输入电压分压后为2.778V。

　　电路中的两个稳压二极管处于反向偏置状态，用于电路保护。当电路电压超过稳压二极管的反向击穿电压时，稳压二极管两端的电压处于一个固定值，这个值取决于二极管的材料与结构，从而保护GPIO端口，下图稳压二极管分别用作防止正电压和负电压过大。ADC的输入端使用了RC低通滤波电路，可将高频信号滤去，截止频率为：

　　图2-电阻分压

　　下图同理：

　　图3-电阻分压

　　注：等效阻抗的计算包括电阻阻抗、容抗、感抗

　　02

　　ADC的输入阻抗选择参考

　　基于 NS800RT503x 系列芯片的 ADC 输入特性，在合适的 ADC 时钟与采样窗口时间配置下，ADC 输入阻抗最高可支持至 1100kΩ。

　　需要注意的是，不同 ADC 时钟与采样窗口时间对应的最大输入阻抗并不相同，实际设计时应根据具体配置查表确认，部分典型配置如下表所示。

　　表1-输入电阻匹配表

　　当ADC的输入阻抗过大时，会出现采集到的电压不精确的问题，以下 ADC 电压采集电路可作为典型示例。

　　设计目的是将前端电路的最大400V电压进行分压，得到最大5V再进行分压，输入到ADC1。

　　理论上该电路Vout-s经过电路中的200K和360K电阻分压，最大5V输入最后给到ADC1的电压为3.1V，最小0V输入最后给到ADC1的电压为0V。

　　图4 ADC输入阻抗偏大电路设计举例

　　实际使用万用表测试发现，ADC1在5V输入的情况下，最终的分压在2.2V，出现明显压降;在0V输入的情况下，最终的分压为0.4V，出现明显压升。在这种测试环境下，ADC的检测并不准确。

　　通过等效转换可得知上图ADC的输入阻抗为128.57kΩ，阻抗较大。

　　配置ADC采样窗口时间为65个ADC_CLK，测试过程中，移除电阻，将0V至3V的电压直接施加到ADC输入端，测得电压正常，排除了ADC配置问题导致的测量不准确。

　　随后测试减少阻抗的方式，将ADC输入电阻阻抗调整为12.18kΩ()，如下图所示。

　　在GPIO端口测得的电压值在转换时间为大于65个ADC_CLK周期内正常。

　　进一步减小ADC输入电阻后，在更短的ADC转换周期内，ADC输入端电压值也可正常，与上述阻抗匹配表一致。

　　图5 电阻分压

　　将ADC配置为使用定时器进行定时触发转换。随着定时频率的增加，ADC输入端口电压逐渐减少。

　　即使输入阻抗为128.57kΩ，只要定时器触发频率足够低，输入电压后，ADC输入端的电压依然能够正常。因此初步分析，该现象与ADC采样过程中端口的电压有关系。

　　进一步测试：端口不接任何外围器件，使用ADCA_CH0，ADCB_CH0，ADCC_CH0进行测试。

　　ADCA与ADCB配置为相同参数，转换时间为1个ADC周期，测得ADCA_CH0与ADCB_CH0的电压为1.4xV，ADCC_CH0电压与其他未配置的IO端口电压一致为0.3xV的电压;

　　将ADCA的转换时间逐次增大，ADCA_CH0的电压逐渐减小，ADCB_CH0与ADCC_CH0电压不变。当ADCA转换时间增大到65个ADC周期时，ADCA_CH0处电压减少到1.0xV。上文采用21kΩ电阻与29kΩ电阻进行分压ADC输入时，若配置转换时间为1-33个ADC周期时，端口分电压存在异常;只有配置为65个ADC周期以上时，端口分电压才是正常的理论电压;

　　当将ADCA停止，ADCA_CH0处电压等于ADCB_CH0电压，ADCC_CH0电压不变。这时可解释为何ADC未初始化时，端口检测到的电压为正常的分压值——因为ADC不运作，端口处无额外的电压生成。测试中，输入阻抗过大时，ADC在运行时端口处的分压值会偏离理论值，只有ADC不运作时，该端口处的分压才恢复理论值。而输入阻抗较小时，端口电压不受ADC是否运作的影响，始终保持正常的理论值;

　　将ADCA、ADCB都停止：

　　ADCA_CH0 = ADCB_CH0 = ADCC_CH0

　　测试现象表明：当ADC运行时，随着准换时间的变化，端口上会出现不同的残留电压。准换时间越短，残留电压越大。

　　当通过接入电阻进行分压时，分压值是否准确，取决于该端口产生的残留电压大小和输入阻抗的大小。输入阻抗越小，分压值受该端口残留电压的影响越小;反之，输入阻抗越大，分压值受该端口残留电压的影响越大。

　　03

　　ADC采样时出现残留电压原因分析

　　ADC的输入模型如下所示：

　　如上图所示，ADC内部通常包含采样电容，该电容会在采样时进行充电或放电。电容充电/放电过程会在采样瞬间引起输入端口电压的瞬时变化。

　　当采样频率越大，充放电的过程跟不上采样速度，此时采样电容上会有相应的残留电荷，会导致端口电压由额外的电压残留。

　　因此，采样频率越快，残留电压也越大，只有当输入阻抗较小时才能抵消这个残留电压。

　　结言

　　当 ADC 输入源阻抗过大时，容易出现采样电压偏差。这与 ADC 的内部采样结构有关：ADC 采样时，内部采样电容需要快速完成充放电;如果前端驱动能力不足，采样电容上的残余电荷会影响当前输入信号，从而导致采样结果出现偏差。当输入信号驱动能力足够时，这种影响会明显减小。

　　因此，在 ADC 前端电路设计时，需要结合具体芯片型号与应用需求，综合考虑输入源阻抗、采样窗口时间、ADC 时钟频率以及前端滤波参数，确保前端采样电路设计合理，从而提升采样稳定性与测试结果一致性。