外部ADC的用例

大多数微控制器（uC）的外围设备均具有模数转换器（ADC），这是惊人的，因为它将两个组件集成到一个封装中。这些ADC通常也进行寄存器映射，从而可以快速，轻松地提取数据。

尽管紧密集成，您仍然可以购买外部ADC。我可以看到几种情况：

• ADC需要与uC隔离。
• ADC样本的位深度必须高于uC的ADC。
• 感应电压远离微控制器，较长的模拟线路是不可接受的。
• 感应电压处于不适合uC的恶劣环境中。
• 外部ADC的采样速度比uC的ADC快得多。
• 某些样品的参考电压与其他样品的参考电压不同，需要多个Vref引脚（因此需要多个外部ADC）。
• 当前的uC没有足够的ADC通道，放置新uC的成本高得令人望而却步。
• 外部ADC的功耗比uC的ADC少（我需要一个例子来相信它）。
• ADC通道必须同时采样（罕见情况）。
• 在制造时对固件进行编程的成本超过了较昂贵的ADC部件的成本（不太可能）。
• PCB具有空间限制，没有uC可以容纳（不太可能）。

这一切都很好，但是让我感到奇怪的是，外部ADC通常比uC同类产品贵很多，但是却提供了等效的功能。例如，您可以以约$ 1的价格购买带有12bit 1Msps ADC（带有内部参考）的EFM32Z部件，或者以约$ 3.50的价格购买等效的12bit 200ksps ADC （相同速度（ish），相对相同的功率数字等），以及执行相同的任务（提取ADC数据）。

问题就变成了：当一个微处理器能够执行相同的功能时，是否有令人信服的理由使工程师更喜欢一个外部ADC而不是一个uC的ADC？

如果您的微控制器的内部ADC执行了您需要的工作，则不需要，则无需外部ADC。但是，那不是他们的目标。

您已经介绍了使用外部ADC的大部分原因，但还有更多原因，我认为，这是一些最重要的原因：

1. 您需要不同的采样技术-例如内部ADC是SAR，但是您需要做Delta Sigma。
2. 内部ADC由于是内部的，并且与主MCU共享同一芯片，因此永远不会100％不受其余MCU的噪声的影响，因此，外部ADC可能会产生超低噪声
3. 您选择的微控制器/ SoC / FPGA没有ADC。后两者极有可能-最常见的SoC和FPGA根本没有任何ADC。是的，您可以获得可以做到的事情，但很多却没有。因此，您添加了一个外部的。

对于第3点，以Raspberry Pi为例。那根本没有可用的ADC，您必须添加一个外部ADC才能完成任何模拟工作。

支持外部ADC的其他几个原因：

1. 许多外部ADC部件包括差分输入，而微控制器的内置转换器通常不包括。在输入具有很多共模噪声的情况下，这可能非常重要。

2. 许多外部ADC部件在转换器本身之前包括一个放大器级，因此允许转换器直接测量高阻抗信号。在许多微控制器上，对输入信号进行采样的行为可能会干扰它。根据输入信号的性质，这可能会大大增加进行精确测量所需的采集时间。

3. 即使内部ADC的宽度为12位，这通常也并不意味着它将读数精确到4096的一部分。典型的外部ADC的规格通常要比内部ADC的规格好，即使两者具有相同的标称比特深度。

将ADC集成到微控制器很容易。集成一个好的 ADC要困难得多。猜猜哪个更常见。

存在一些外部ADC的另一个原因：它们比带有内部ADC的单片机的寿命长很多，并且已被设计成许多产品。可能会延长20或30年。（虽然可能是经典零件的现代化缩模变体，但所链接的SOIC零件可能不是这种情况）

如果ADC没有出色的分辨率，精度或速度，但却要付出高昂的代价，这可能就是原因。

即使对于新设计，也可能最好重用效果良好的模块，而不是围绕更新的部件进行重新设计（即使所产生的集成降低了BOM成本）。重新设计可能会很昂贵；测试和监管审批流程，甚至更多。

现在，如果您是从头开始，并且您选择的微控制器具有足够满足您要求的ADC通道，则以上都不适用。

我意识到这是一个非常老的问题，但这是我们内部经常进行辩论的问题。

没错，如果外部ADC的功能完全相同，则选择外部ADC是不寻常的。但是，以我的经验，低成本的微控制器通常具有相当差的ADC，具有温度漂移，低位计数（10-12位）和来自VCC的噪声（在某些情况下为+/- 20mV）……尽管反之亦然。 ..如果您过度采样并存在噪声，则可以提高信噪比。在我们的产品开发活动中，很少会根据内部ADC的质量来选择MCU。通常，它更多地与工具链，成本，现有固件等有关。内部ADC通常仅限于非关键任务，例如读取电池电压。

对于各种微控制器，共享计时器也可能存在一些问题，需要为快速采样时间而对其进行独占，但是在为ADC独占时，它们会干扰MCU中的其他事物（软件串行端口，ISR等）。

另外，什么是VREF？如果您将VCC用作固件参考，即使您校准到“实际”的VCC，该值在操作过程中也会有很大的波动。如果您使用的板载高电流设备（无线电，wifi，MCU等）具有较大的瞬态电流使用，则在传输过程中VCC可能会降至4.8伏，并且如果您的采样发生在该窗口内，那么您会天真的转换0-1023 ADC读取值到ADC_VAL / 1023 * 5.0的电压-您失去了高达200mV的精度。或者，如果您具有不同的电源模式（USB，壁式电源适配器，电池）-MCU上的VCC可能会更改（尤其是USB）。外部ADC（即使具有相同的位数）也可以在VCC波动的情况下提供坚如磐石的内部vref。

分辨率非常重要。我想在10-12位的分辨率下（在现实世界中）会有一些用途，但是对于任何现实世界的应用（气体检测，声学测量，加速度计测量，精确温度测量等），通常16位达到足够的信噪比和分辨率特性所需的最小分辨率。甚至像Atmel的SAMD这样的非常好的32位MCU都限于12位内部ADC。

时钟抖动也是一个问题，当需要其他8位微控制器提供12位宽的读数并且需要至少2个时钟周期来操纵12位值时，也存在一些固有的不准确性。使用外部ADC（因为它们可以具有内部振荡器）。

在某些情况下，与传感器的物理距离以及与MCU的隔离也很重要。一些非常灵敏的换能器需要使用自己的调节功率，隔离的接地层和具有0.01％无源的极其灵敏的跨阻斩波放大器。

有时，使用内部ADC的原因非常令人信服。DMA是一个原因……采样率是另一个原因。轻松进行过采样是另一回事。以高数据速率连接外部ADC会消耗大量有价值的复用I / O引脚，从而使设计变得更加复杂。另外，我们使用的许多ADC都是基于I2C的，因此采样率受到I2C总线速度的很大限制。即使以1mbits / sec的速度读取16位数据，也要花费很长时间。