6 模拟稳定

前面几节讨论了 ADC 中集成的一些功能和模式对转换延迟和周期时间造成的影响，此外，外部因素也会对其造成影响，其中比较常见的一个因素就是模拟稳定。放大器或滤波器等外部信号调节电路具有有限带宽。此外，一些 ADC 具有内部模拟滤波器，这类滤波器具有定义明确的稳定时间。因此，模拟信号需要一些时间来通过这些元件传送，然后由 ADC 进行采样。此模拟信号可能来自传感器的输入，也可能是电流源或激励电压等偏置信号。无论是哪种情况，都不能忽视总体转换延迟中的模拟稳定时间。否则，ADC 将会对未稳定的信号进行采样，而这将会在 ADC 转换结果中显示为误差。即使此噪声实际上是对未稳定的信号进行采样而造成的，但仍可能会被错误地归因于串扰或其他误差。

例如，用于抗混叠的简单低通 RC 滤波器具有一定时间常数 τ，这可能会阻止输入信号在 ADC 开始转换之前稳定下来。图 6-1 显示了 Δ-Σ ADC 输入端常用的差分滤波器电路（左侧）及其对应的稳定时间曲线图（右侧）。

图 6-1 RC 滤波器的阶跃响应和稳定时间

如图所示，图 6-1 假定示例系统中电容器上的初始电压为 0V。然后，在 τ = 0 时，向电容器施加 5V 模拟阶跃，也即图 6-1 中所示的黑色曲线图。电容器无法立即响应此电压，而是需要一些时间来变为施加的值，如图中红色所示的响应。虽然该图显示输出大约在 5 ∙ τ 后稳定，但很多高分辨率 Δ-Σ ADC 可以区分比 5 ∙ τ 时 RC 输出幅度更精细的模拟信号。实际上，对于 RC 输出信号，它需要超过 17 ∙ τ 的时间才能达到 24 位 ADC 最低有效位 (LSB) 的 ½。尽管 20 位分辨率也需要几乎 15 ∙ τ 的时间才能稳定至 LSB 的 ½，但在一些应用中可能没必要等待 17 ∙ τ。ADC 分辨率与稳定至 ½ LSB 所需的时间常数值 (τ_LSB) 之间的关系可以使用方程式 14 计算得出。

其中

• N 为 ADC 分辨率

表 6-1 使用方程式 14 来计算几种常见 ADC 分辨率值条件下模拟滤波器稳定至 ½ LSB 所需的时间常数值。

对于表 6-1 中的信息，需要注意的一个重要因素是实际 RC 输出稳定时间取决于 ADC LSB 的幅度以及输入电压的变化幅度。如果 ADC 基准电压较小或增益较大，稳定至 ½ LSB 往往不太现实，因为 LSB 大小远小于 ADC 的固有噪声。相反，应该以所需数据速率和增益设置下的系统噪声幅度为目标。此外，如果施加的电压从 4.99V 变为 5V，则无需等待表 6-1 中指定的时间，即可达到相应的 ADC 分辨率。因此，当输入信号变化极快时，当 τ 的值较大时，或者当输入信号的幅度在每次转换后发生显著变化时，应考虑模拟稳定时间。

如前所述，一些 ADC 包含可编程延迟，该延迟就发生在转换过程之前，以将多路复用器变化或模拟稳定等外部因素纳入考量。例如，假定设计需要 20 位分辨率并包含一个 RC 抗混叠滤波器，其中 τ = 15µs。表 6-1 显示了稳定至 20 位分辨率需要 14.56 ∙ τ 秒钟，因此总模拟稳定时间为 14.56 ∙ 15µs = 218.4µs。根据表 5-3 中的 ADS124S08 可编程延迟选项（其中，f_CLK = 4.096MHz 时，t_MOD = 3.9µs）可以确定，系统需要至少 218.4 / 3.9 = 55.9 ∙ t_MOD 个周期来适应模拟稳定时间。因此，请设置 DELAY[2:0] = 010b 以等待 64 t_MOD 个周期并等待足够的时间，以便 RC 输出可以在 ADC 开始转换过程之前完全稳定。

最后，务必要考虑外部信号调节电路可能对模拟稳定时间造成的影响，因为这会直接添加到总体 ADC 转换延迟。