單片機(jī)中ADC采集都存在哪些誤差？

ADC的種類很多，對應(yīng)的精度和誤差也有很多，本文就來講講關(guān)于ADC精度和誤差的內(nèi)容。

ADC介紹

ADC：Analog Digital Converter，指模數(shù)轉(zhuǎn)換，也就是（電壓）模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

大多數(shù)MCU中都集成了ADC模塊，同時ADC也是在產(chǎn)品開發(fā)中使用率較高的一個模塊，相信大部分人都使用過ADC這個功能。

在STM32中內(nèi)置最多四個高級12位ADC控制器（ADC1、2、3、4）。當(dāng)然，ADC控制器數(shù)量多少取決于STM32型號，還有部分STM32具有16位采樣的ADC（如STM32F373）。他們提供自校準(zhǔn)功能，用于提高環(huán)境條件變化時的ADC精度。

我們平時在使用ADC中要求不是很高，可能就沒有在于ADC轉(zhuǎn)換的值是否精確。但是，有些特定場合就需要更精確的轉(zhuǎn)換值，那么我們就需要對ADC做更多了解。下面章節(jié)帶領(lǐng)大家了解相關(guān)內(nèi)容。

ADC誤差

在涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中， ADC精度會影響整體的系統(tǒng)質(zhì)量和效率。為了提高此精度，有必要了解與ADC相關(guān)的誤差。

ADC誤差主要包含：ADC自身和環(huán)境導(dǎo)致的誤差。

1、ADC自身導(dǎo)致的誤差

說誤差之前，先說下ADC精度，為便于參考，將精度誤差表達(dá)為1 LSB的倍數(shù)：

1 LSB = VREF+ / 2^12

A、偏移誤差

偏移誤差是第一次實際轉(zhuǎn)換和第一次理想轉(zhuǎn)換之間的偏離。第一次轉(zhuǎn)換發(fā)生在數(shù)字ADC輸出從0變?yōu)?時。理想情況下，當(dāng)模擬輸入介于0.5 LSB和1.5 LSB之間時，數(shù)字輸出應(yīng)為1。

仍然是理想情況下，第一次轉(zhuǎn)換發(fā)生在0.5 LSB處。用EO表示偏移誤差?？赏ㄟ^應(yīng)用固件輕松校準(zhǔn)偏移誤差。

正偏移誤差的表示方法：

負(fù)偏移誤差的表示方法：

B、增益誤差

增益誤差是最后一次實際轉(zhuǎn)換和最后一次理想轉(zhuǎn)換之間的偏離。增益誤差用EG表示。

正增益誤差的表示方法：

負(fù)增益誤差的表示方法：

C、微分線性誤差

微分線性誤差（ DLE）為實際步進(jìn)和理想步進(jìn)之間的最大偏離。這里的“理想情況”不是指理想傳輸曲線，而是指ADC分辨率。

理想情況下， 1 LSB的模擬輸入電壓變化量應(yīng)導(dǎo)致數(shù)字代碼變化。如果需要大于1 LSB的模擬輸入電壓才能導(dǎo)致數(shù)字代碼變化，將觀察到微分線性誤差。因此， DLE對應(yīng)于從一個數(shù)字代碼變?yōu)橄乱粋€數(shù)字代碼所需的最大額外電壓。

D、積分線性誤差

積分線性誤差為任何實際轉(zhuǎn)換和端點相關(guān)線間的最大偏離，用EL表示ILE。

端點相關(guān)線可以定義為A/D傳輸曲線上連接第一次實際轉(zhuǎn)換與最后一次實際轉(zhuǎn)換的線。EL是指與每一次轉(zhuǎn)換的這條線的偏離。因此，端點相關(guān)線對應(yīng)于實際傳輸曲線并且與理想傳輸曲線不相關(guān)。

E、總未調(diào)整誤差

總未調(diào)整誤差（ TUE）為實際和理想傳輸曲線間的最大偏離。此參數(shù)指定可能發(fā)生的會導(dǎo)致理想數(shù)字輸出與實際數(shù)字輸出之間最大偏離的總誤差。TUE是記錄到的任何輸入電壓的理想預(yù)期值與從ADC獲得的實際值之間的最大偏離。

2、ADC環(huán)境導(dǎo)致的誤差

A、參考電壓噪聲

由于ADC輸出為模擬信號電壓與參考電壓之比，因此模擬參考上的任何噪聲都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后數(shù)字值的變化。在某些封裝中， VDDA模擬電源被用作參考電壓（ VREF+），因此VDDA電源的質(zhì)量會影響ADC誤差。

B、參考電壓/電源調(diào)節(jié)

電源調(diào)節(jié)對于ADC精度十分重要，因為轉(zhuǎn)換結(jié)果是模擬輸入電壓與VREF+值之比。
當(dāng)連接到VDDA或VREF+時，如果這些輸入上的負(fù)載及其輸出阻抗導(dǎo)致電源輸出下降，將在轉(zhuǎn)換結(jié)果中產(chǎn)生誤差。

C、外部參考電壓參數(shù)

當(dāng)使用外部參考電壓源（ VREF+引腳上）時，該外部參考源有一些重要參數(shù)。必須考慮三個參考電壓規(guī)格：溫度漂移、電壓噪聲和長期穩(wěn)定性。

D、模擬輸入信號噪聲

在采樣時間內(nèi)，小而高頻率的信號變化可導(dǎo)致較大轉(zhuǎn)換誤差。此噪聲由電氣設(shè)備（例如電機(jī)、發(fā)動機(jī)點火、電源線）生成。它增加了不需要的信號，因此會影響源信號（例如傳感器）。這樣一來，導(dǎo)致ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果不準(zhǔn)確。

E、最大輸入信號幅度的ADC動態(tài)范圍匹配不佳

為獲得最高ADC轉(zhuǎn)換精度， ADC動態(tài)范圍必須與待轉(zhuǎn)換信號的最大幅度相匹配。

我們假設(shè)待轉(zhuǎn)換信號在0 V與2.5 V之間變化，并且VREF+等于3.3 V。如下圖，有部分未使用的ADC轉(zhuǎn)換范圍，也會使轉(zhuǎn)換后信號精度下降。

如何提高ADC采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

這個問題之前寫過相關(guān)的內(nèi)容，只是沒有單獨提出來說，這里匯總一下。

1、減少ADC相關(guān)誤差的影響

上面描述了“ADC自身導(dǎo)致的誤差”，使用STM32 ADC自校準(zhǔn)功能或通過微控制器固件可以輕松補(bǔ)償偏移誤差和增益誤差。

之前在分享的代碼中有提到，比如通過軟件校正：

2、使外部環(huán)境誤差最小化

A、參考電壓/電源噪聲最小化

也就是在VREF和VDDA引腳連接外部去耦電容。

B、模擬輸入信號噪聲消除

通過添加外部RC濾波器以消除高頻。

C、將ADC動態(tài)范圍與最大信號幅度進(jìn)行匹配

也就是將參考電壓范圍匹配采樣電壓（當(dāng)然，需要有參考電壓引腳的芯片才行）。

同時，也可以使用放大器針對ADC范圍調(diào)整輸入信號范圍：

D、溫度影響補(bǔ)償

第一種方法是完整描述偏移和增益漂移特性，并在存儲器中提供查詢表，以便根據(jù)溫度變化修正測量值。此校準(zhǔn)方法需要額外的成本和時間。

第二種方法包括使用內(nèi)部溫度傳感器和ADC看門狗，以在溫度變化達(dá)到給定值時重新校準(zhǔn)ADC。

E、優(yōu)化PCB布局

將模擬和數(shù)字布局分開

隔離模擬和數(shù)字電路電源

對供電和接地使用單獨的PCB層

3、提高精度的軟件方法

A、平均采樣

·平均會降低速度但可以提高精度

B、數(shù)字濾波（抑制DC值中的50/60 Hz噪聲）

·設(shè)置適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率（這種情況下，從計時器觸發(fā)十分有用）。
·對采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行軟件后處理（例如，對50 Hz噪聲及其諧波抑制進(jìn)行組合濾波）。

C、AC測量的快速傅里葉變換（ FFT）

·此方法可以顯示被測信號中的諧波部分。
·由于使用了更強(qiáng)的計算能力，因此速度較慢。

D、ADC校準(zhǔn)：偏移、增益、位權(quán)重校準(zhǔn)

·ADC校準(zhǔn)可減少內(nèi)部ADC誤差。但是，必須知道內(nèi)部ADC結(jié)構(gòu)。

E、使CPU生成的內(nèi)部噪聲最小化

應(yīng)用設(shè)計必須確保

·ADC轉(zhuǎn)換期間來自微控制器的干擾盡可能小。
·使采樣和轉(zhuǎn)換期間的數(shù)字信號變化量最小化（數(shù)字靜默）。

審核編輯：彭菁