从 LH32 看内部“奇怪的”基准值设计

最近的一个项目在用 LH32，细细探究下来长了不少脑子，今天研究一个有趣的问题：（但是这个知识不局限在一颗芯片上，全部的芯片都可以适用）

LH32M0G30X 双ADC通信控制机制与编程模型分析

LH32M0G30X ADC双同步采样技术解析

从LH32M0G3外设到桥式传感器驱动恒流源

LH32M0G3的 ADC 性能上限（含竞品对比）

在片内自带一个基准

在片内自带一个基准

有内置的，外置模式

有内置的，外置模式

这里有几个固定的参考输出，那有没有人研究过是为什么？

（首先这个 16mA 其实不算小，做激励也差不多够了）

简单计算带载情况

对于纯电阻负载：

要求：

所以最小允许负载电阻为：

四个基准档位对应的最小负载电阻

开始探究

这些内部基准值不是随便选的，个人觉得大概服务三类目标：

：接近本征基准，低功耗、小量程

资料里有一个小不一致：Datasheet 特性页写的是 1.262 / 2.048 / 2.5 / 4.096 V，但参考手册 REF_CTRL 寄存器把低档写成 1.25 V，并且 REF0/REF1 都支持 2.5、2.048、1.25、4.096 四档选择。

自己也不知道是多少了吧

自己也不知道是多少了吧

我自己测量一下吧

我自己测量一下吧

先看 ADC 公式：基准值直接决定输入满量程

LH32M0G3XX 的 ADC 差分输入范围是：

其中 是 PGA 增益。数据手册也明确写了 ADC 差分输入电压范围为 增益，PGA 增益范围 1 到 128；所以不同内部基准对应的输入范围是：

这说明内部基准值本质上是在给不同传感器场景提供不同的 满量程电压窗口。

先看2.048 V 和 4.096 V：最明显是为了二进制换算

这两个值非常典型：

对于 24 bit 双极性 ADC，近似输入端 1 LSB 为：

如果 ，：

如果 ：

这不是说真实噪声能到 1.9 nV，而是说 码值换算非常整齐。比如 2.048 V 参考下：

这个数是 ，非常适合数字计算、标定、定点算法和工程换算。

而4.096 V 则是 2.048 V 的两倍：

所以它的 LSB 也正好翻倍：

这类值在高精度 ADC 里很常见，因为它们让 “ADC code → 电压” 的比例非常干净。

##2.5 V：工业模拟系统最常见的标准基准

2.5 V 就不是是二进制，而是 工业模拟生态；很多工业传感器、基准源、ADC、DAC、运放前端都默认围绕这些电压工作：

2.5 V 有几个好处：

第一，它适合单 5 V 模拟系统；比如LH32M0G3XX 的 AVDD/IOVDD 范围是 2.5 V 到 5.5 V，所以 2.5 V 是一个很自然的中间参考/激励电平。

第二，它适合桥式传感器激励， 比如常见的350 Ω 桥：

这个功耗通常还可以接受，如果用 4.096 V：

信号会更大，但自热也明显更强。

第三，2.5 V 对很多 mV/V 传感器很合适；如 2 mV/V 压力桥，2.5 V 激励时满量程输出：

如果 ADC 用 ，PGA=128：

5 mV 满量程只占正满量程的约 25.6%，还留有零点偏移、过载和温漂余量。

1.25 / 1.262 V：接近 bandgap 本征值

1.25 V 或 1.262 V 这一档，是从片内 bandgap reference 自然来的低压基准；已知硅 bandgap 基准的输出常见在：

附近。

芯片内部通常先产生一个低温漂 bandgap 电压，再通过 buffer、比例网络或修调得到 2.5 V、2.048 V、4.096 V 等其他档位；参考手册系统框图里也能看到 BG、ADC Buffer、VDRIVE、VREF 这些模块连接在模拟参考网络中。

这一档的作用主要是：

低功耗、小信号、小激励、低满量程

例如用 1.25 V 激励 350 Ω 桥：

比 2.5 V 激励少 4 倍功耗：

所以它适合低功耗传感器节点，尤其不想让桥、RTD、热敏电阻产生明显自热的时候。

为什么有 2.048 V，又有 2.5 V？

说到底还是两个值服务对象不同。

：偏数字换算友好

2.048 V 的优势是码值漂亮：

2.5 V 的优势是生态标准，很多外部基准、电桥激励、DAC 范围、传感器规格都容易和 2.5 V 对齐；如果做 高精度电压测量/数字换算，2.048 V 很舒服；实际采集传感器信号 2.5 V 很自然。

为什么有 4.096 V？

一眼就看出来了4.096 V 是 2.048 V 的高量程版本：

目的主要有两个，首先可以给 ADC 更大的输入范围：

对于高输出桥、较大差分信号、0–4 V 级慢速信号，它比 2.048 V 更不容易溢出。

还有一点，数值上仍然保持二进制友好：

所以换算仍然干净，不过 4.096 V 作为外部驱动或传感器激励时，要注意 AVDD 余量。

资料给的工作电源范围是 2.5 V 到 5.5 V，但没有在片段中明确说明所有 AVDD 下都可以把 4.096 V 无限制驱动到外部负载，因此实际用 VDRIVE=4.096 V 时，应保证 AVDD 足够高，并检查负载电流和压降。

为什么不是 3.3 V？

3.3 V 对 MCU 数字电源很常见，但它不是一个优秀的精密 ADC 基准值。

最近一个项目也是用了电平转换芯片

最近一个项目也是用了电平转换芯片

3.3 V 不是二进制友好值，算一下：

得到的 LSB 不如 2.048/4.096 整齐。

3.3 V 也不是所有供电条件下都方便；芯片 AVDD 最低 2.5 V，如果内部基准要兼容低电源工作，3.3 V 不是一个通用档；还有3.3 V 常常是数字系统电源，不干净，所以和在一块看这颗芯片选的是：

档二进制档工业模拟档

把这些值放到传感器场景里看

桥式传感器

如果做比例测量：

则 ADC code 近似为：

桥输出为：

代入后：

这意味着对于桥式传感器，如果激励和参考同源，基准绝对值漂移会被抵消；这时选择 1.25、2.5、4.096 的主要差别变成：

传感器输出绝对幅度

热电偶

热电偶不需要激励，它输出几十 µV/℃，这时用 2.048 V 通常很合适，因为 PGA=64/128 时量程合适，换算也方便：

这对 K 型热电偶中低温段很舒服。

RTD / 电阻传感器

RTD 主要由 IEXC 决定电压：

如果测量电压较小，可以选较低参考提高码值占用；如果 RTD 电压较大，选 2.048 或 2.5 防止满量程溢出。

用数字看一下各档的 ADC LSB 和桥功耗

（和上面略有重合）按双极性 24 bit ADC 近似：

这里的 LSB 只是理论码宽，不代表真实噪声；数据手册的 ADC 噪声/ENOB 表就是以内部 2.048 V 参考为条件给出的，这也说明 2.048 V 很可能是该 ADC 的重点表征参考档

后记

快速比较一下：

ADC bipolar LSB:

VREF = 1.250 V
  G=  1: input range ± 1250.000 mV, LSB=  149.012 nV
  G=  8: input range ±  156.250 mV, LSB=   18.626 nV
  G= 64: input range ±   19.531 mV, LSB=    2.328 nV
  G=128: input range ±    9.766 mV, LSB=    1.164 nV

VREF = 1.262 V
  G=  1: input range ± 1262.000 mV, LSB=  150.442 nV
  G=  8: input range ±  157.750 mV, LSB=   18.805 nV
  G= 64: input range ±   19.719 mV, LSB=    2.351 nV
  G=128: input range ±    9.859 mV, LSB=    1.175 nV

VREF = 2.048 V
  G=  1: input range ± 2048.000 mV, LSB=  244.141 nV
  G=  8: input range ±  256.000 mV, LSB=   30.518 nV
  G= 64: input range ±   32.000 mV, LSB=    3.815 nV
  G=128: input range ±   16.000 mV, LSB=    1.907 nV

VREF = 2.500 V
  G=  1: input range ± 2500.000 mV, LSB=  298.023 nV
  G=  8: input range ±  312.500 mV, LSB=   37.253 nV
  G= 64: input range ±   39.062 mV, LSB=    4.657 nV
  G=128: input range ±   19.531 mV, LSB=    2.328 nV

VREF = 4.096 V
  G=  1: input range ± 4096.000 mV, LSB=  488.281 nV
  G=  8: input range ±  512.000 mV, LSB=   61.035 nV
  G= 64: input range ±   64.000 mV, LSB=    7.629 nV
  G=128: input range ±   32.000 mV, LSB=    3.815 nV

350 ohm bridge excitation:
  1.250 V: I= 3.571 mA, P=  4.464 mW
  1.262 V: I= 3.606 mA, P=  4.550 mW
  2.048 V: I= 5.851 mA, P= 11.984 mW
  2.500 V: I= 7.143 mA, P= 17.857 mW
  4.096 V: I=11.703 mA, P= 47.935 mW

1.25/1.262 V 是 bandgap/低功耗档，2.048/4.096 V 是 ADC 二进制友好档，2.5 V 是工业模拟/传感器激励标准档;这四个值合起来，刚好覆盖低功耗、小信号、高量程、桥式传感器、热电偶、RTD 和 4–20 mA 变送器前端的主要需求，最后给一个速查表。