成都科技网站建设咨询,网站开发的职业决策,购物网站排名前十名,百度手机网页版在此我们简要总结一下ADC的各种指标如何理解#xff0c;以及从硬件到软件都有哪些可以采用的手段来提高ADC的转换精度。1.ADC指标除了分辨率#xff0c;速度#xff0c;输入范围这些基本指标外#xff0c;衡量一个ADC好坏通常会用到以下这些指标#xff1a;失调误差,增益误… 在此我们简要总结一下ADC的各种指标如何理解以及从硬件到软件都有哪些可以采用的手段来提高ADC的转换精度。1.ADC指标除了分辨率速度输入范围这些基本指标外衡量一个ADC好坏通常会用到以下这些指标失调误差,增益误差微分非线性积分非线性信噪比信纳比有效位数总谐波失真。让我们以下图为例来看一下这些指标的意义。LSB参数中经常用LSB作为单位比如说差分非线性为2 LSB。这究竟是多大一个值呢为了简单起见我们以一个3bit分辨率满量程为5V的ADC为例。1个LSB对应的电压大小为5V/7714mV。如果是8bit分辨率那么1个LSB对应5/25519mV。图中横轴为输入电压Vin增长方向纵轴为数字输出。理想情况下输入电压每增长1LSB(714mV),那么输出会向上跳变一次对应虚线L1所在转换曲线。但实际电路往往会引入偏差转换曲线往往如 L2 所对应曲线。失调误差(Offset Error)电压从0开始增大时引起输出第一次跳变的电压值与理论上应该引起第一次跳变的电压值(0.5 LSB)的差值。衡量小电压时的转换精度。如图中理论上应该在0.5 LSB处跳变实际电压增大到1 LSB时才跳变所以Offset Error是 1–0.5 0.5 LSB。增益误差(Offset Error)可以理解为实际转换曲线偏离理想曲线的程度。用最接近满量程时跳变点电压值和理论跳变点电压值的差表示。差分非线性 DNL(Differential Non-Linearity)理论上每增加或减少1 LSB 的电压都会引起输出对应的一次跳变。但实际情况可能如图中a,b处所示电压的步距大于或小于1个LSB的理论步距。a 处 DNL 1.5 – 1 0.5 LSB;b 处 DNL 0.5 – 1 -0.5 LSB;积分非线性 INL(Integral Non Linearity)差分非线性累积起来造成的对实际转换曲线的最大偏离就是INL。如图中所示需要注意的是INL不能表征对理想转换曲线的偏离程度。总不可调整误差 TUE(Total Unadjusted Error)实际转换曲线与理想转换曲线之间最大的偏离。在最糟糕的一点我们通过ADC得到的电压与实际电压的差值。通俗讲就是最不准的一点差多少。思考一下如果 DNL 和 INL 都非常好那么是不是说明 TUE 就非常好对还真不一定。即使线性度非常好如果增益误差大还是会导致最终结果大的偏差。信噪比 SNR(Signal-to-Noise Ratio)有用信号与噪声的能量比。我们总是期望信噪比越大越好。对于一个 N-Bit 分辨率的ADC来说如果输入是一个满量程的正弦信号在只考虑量化噪声的情况下可以推导出一个有用的公式SNR 6.02N 1.76dB推导过程见参考文档 ADI: MT-001此公式直观的表明了ADC分辨率和信噪比之间的量化关系。信纳比 SINAD (Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio)实际ADC是无法达到理想状态的它的输出除了会引入噪声还会引入输入信号的谐波。SINAD是有用信号能量与谐波(Distortion)加噪声(Noise)能量的比它更能体现现实世界中的ADC性能。SINAD 20log(S/(ND))*而SNR 20log(S/N)有效位数 ENOB(Effective Number of Bits)体现ADC实际性能相当于多少位。可以从SINAD推出ENOB (SINAD–1.76)/6.02*和理想情况下的位数对应NOB (SNR - 1.76)/6.02。总谐波失真 THD(Total Harmonic Distortion)有用信号能量与谐波能量的比。THD 20log(S/D)2.如何提高转换精度模拟电源(VDDA)和电压参考(VREF)有的单片机ADC模块会引出单独的电源引脚和电压参考引脚最好用LDO给这些引脚供电,或者用磁珠和滤波电容把这部分电源从数字部分隔离出来。输入信号的输出阻抗下图是ADC采样简化等效电路。ADC采样和保持电路的等效输入电阻电容Radc,和Cadc,手册中都会给出。在采样期间开关SW会接通外部的信号输入电路给采样电容Cadc充电至和输入信号相等(接近)之后SW断开,ADC对采样电容上的电压进行转换。如果采样时间过短或者输入信号的输出阻抗过大将导致采样电压不准。在信号源输出阻抗过高时可以考虑增加一级运放。高频串扰如果与模拟输入引脚靠近的IO上有高频翻转的信号或者PCB上有与输入信号长距离的平行走线串扰将干扰输入信号。应避免ADC引脚临近信号高频翻转。在ADC输入布线和临近的走线之间用地线隔离开也可以避免ADC精度下降。WaitStop模式如果ADC在Wait和Stop模式下还可以工作在此种模式下可以最大限度的降低MCU电源的波动提高ADC的转换精度。过采样(Oversampling)如果采样频率为fs,那么对于fs/2以内的信号频率既可以获得完整信息。过采样是用远高于所需的采样频率去采样这样噪声就会均摊在整个采样频带内。我们用数字滤波器可以滤除有用信号频带之外的噪声从而使频带内的信噪比提高获得更高的分辨率。对多次转换结果进行平均也可以提高结果的精度。芯片内部校正很多单片机内部都有校正机制(Calibration)每次上电后执行一次Calibration可以以提高ADC的精度。温度的影响ADC受温度影响比较大特别是失调误差和增益误差。如果芯片工作温度范围很宽可以在不同的温度下预先测量按温度做出查找表以在实际工作时做校正。混入白噪声这种方法对提高直流信号的分辨率很有用。如果输入信号接近直流而且很稳定那么输出就不会产生跳变比如输出一直是0x15A我们无法确认输入电平是更接近0x159还是更接近0x15B。那么我们可以人为地把白噪声混入信号使信号产生小的波动从而输出产生跳变然后再通过数学平均得出一个精度更高的数值。实际操作中可以用GPIO产生一个方波然后通过阻容耦合进输入信号引脚。参考资料ADI: Data Converter IntroductionADI: MT-001 TUTORIAL Taking the Mystery out of the Infamous Formula,SNR 6.02N 1.76dB, and Why You Should CareST: AN1636 UNDERSTANDING AND MINIMISING ADC CONVERSION ERRORSST: AN2834 Application note How to get the best ADC accuracy in STM32 microcontrollersNXP: How to Increase the Analog-to-Digital Converter Accuracy in an ApplicationNXP: Cookbook for SAR ADC Measurements推荐阅读专辑|Linux文章汇总专辑|程序人生专辑|C语言我的知识小密圈
