提高ADC采集精度的辦法

想要提高ADC采集精度，軟件和硬件工程師都應(yīng)該了解一下相關(guān)的內(nèi)容！

1寫在前面

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(shí)ADC也是在產(chǎn)品開發(fā)中使用率較高的一個(gè)模塊，相信大部分人都使用過ADC這個(gè)功能。

在STM32中內(nèi)置最多四個(gè)高級(jí)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(hào)，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(shí)的ADC精度。

我們平時(shí)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(chǎng)合就需要更精確的轉(zhuǎn)換值，那么我們就需要對(duì)ADC做更多了解。下面章節(jié)帶領(lǐng)大家了解相關(guān)內(nèi)容。

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ADC誤差

在涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中， ADC精度會(huì)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(shí)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(shí)。理想情況下，當(dāng)模擬輸入介于0.5 LSB和1.5 LSB之間時(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)于從一個(gè)數(shù)字代碼變?yōu)橄乱粋€(gè)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(shí)際轉(zhuǎn)換和端點(diǎn)相關(guān)線間的最大偏離，用EL表示ILE。

端點(diǎn)相關(guān)線可以定義為A/D傳輸曲線上連接第一次實(shí)際轉(zhuǎn)換與最后一次實(shí)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(diǎn)相關(guān)線對(duì)應(yīng)于實(shí)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(shí)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(huì)導(dǎo)致理想數(shù)字輸出與實(shí)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(shí)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(hào)電壓與參考電壓之比，因此模擬參考上的任何噪聲都會(huì)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(huì)影響ADC誤差。

B.參考電壓/電源調(diào)節(jié)

電源調(diào)節(jié)對(duì)于ADC精度十分重要，因?yàn)檗D(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(shí)，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(shí)，該外部參考源有一些重要參數(shù)。必須考慮三個(gè)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(hào)噪聲

在采樣時(shí)間內(nèi)，小而高頻率的信號(hào)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火、電源線）生成。它增加了不需要的信號(hào)，因此會(huì)影響源信號(hào)（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(hào)幅度的ADC動(dòng)態(tài)范圍匹配不佳

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

我們假設(shè)待轉(zhuǎn)換信號(hào)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(huì)使轉(zhuǎn)換后信號(hào)精度下降。

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如何提高ADC采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

這個(gè)問題之前寫過相關(guān)的內(nèi)容，只是沒有單獨(dú)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：ADC_StartCalibration(ADC1);

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(hào)噪聲消除

通過添加外部RC濾波器以消除高頻。

C.將ADC動(dòng)態(tài)范圍與最大信號(hào)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(shí)，也可以使用放大器針對(duì)ADC范圍調(diào)整輸入信號(hào)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(chǔ)器中提供查詢表，以便根據(jù)溫度變化修正測(cè)量值。此校準(zhǔn)方法需要額外的成本和時(shí)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(shí)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(duì)供電和接地使用單獨(dú)的PCB層

3.提高精度的軟件方法

A.平均采樣

·平均會(huì)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(jì)時(shí)器觸發(fā)十分有用）。

·對(duì)采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行軟件后處理（例如，對(duì)50 Hz噪聲及其諧波抑制進(jìn)行組合濾波）。

C.AC測(cè)量的快速傅里葉變換（ FFT）

·此方法可以顯示被測(cè)信號(hào)中的諧波部分。

·由于使用了更強(qiáng)的計(jì)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(jì)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(hào)變化量最小化（數(shù)字靜默）。