如何提高單片機(jī)ADC的精度

ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）是我們常用的一種器件，特別是眾多模擬傳感器的采集就需要用ADC，以至于市面上大部分單片機(jī)都集成了ADC這種外設(shè)。在描述如何ADC精度之前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單的了解一下ADC。ADC（Analog-to-DigitalConverter的縮寫）意思是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。是指將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的器件。真實(shí)世界的模擬信號(hào)，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉(zhuǎn)換成更容易存儲(chǔ)、處理和傳送的數(shù)字形式。ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在各種不同的產(chǎn)品中可以找到它的身影。與之相對(duì)應(yīng)的是DAC（Digital-to-AnalogConverter的縮寫），意思是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換的逆變換。接下來(lái)看一下我們常說(shuō)的ADC精度到底是指什么呢？提到一顆MCU的ADC精度，大家首先想到的是多少位，比如10位、12位。其實(shí)準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，10位、12位是分辨率，并非精度。ADC的精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)與實(shí)際值的準(zhǔn)確度；分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬信號(hào)的最小變化值。一般來(lái)講，分辨率越高，轉(zhuǎn)換誤差越小；但影響精度的因素較多，分辨率很高的ADC，可能并不一定具有很高的精度。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，更應(yīng)該關(guān)注的是精度這個(gè)參數(shù)。另外，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度除了ADC模塊本身性能的影響，還受其他因素的影響，比如外部環(huán)境溫度的變化、內(nèi)部ADC參考電壓等。以瑞薩RA2A1中24位Sigma-DeltaADC為例，我們可以通過(guò)RA2A1硬件手冊(cè)和Sigma-DeltaADC性能文檔得到以下ADC精度參數(shù)。在實(shí)際ADC應(yīng)用中，用戶十分關(guān)注精度這個(gè)指標(biāo)，所以本篇文章從以下6個(gè)方面出發(fā)，來(lái)介紹提高ADC精度的方法。1采用差分輸入降低輸入的共模干擾模擬輸入可以是單端輸入或是差分輸入。差分輸入尤其適用于要求精度在12位或以上的設(shè)計(jì)，這種輸入方式能消除輸入線路上可能存在的共模噪聲。一些A/D轉(zhuǎn)換器具有偽差分輸入。在偽差分配置下，兩個(gè)引腳（VIN+和VIN-）用作輸入信號(hào)線。偽差分輸入與標(biāo)準(zhǔn)差分輸入的區(qū)別在于：VIN-引腳上的信號(hào)只能相對(duì)于VSS電源軌的電壓偏離一個(gè)很小的范圍。雖然這種限制要求此類A/D轉(zhuǎn)換器必須與單端信號(hào)源連接，但它的輸入級(jí)仍然具有消除輸入引腳上微小的共模波動(dòng)的能力。2采用高精度穩(wěn)定電源供給減少電源電壓變化誤差一般MCU中的ADC可以使用內(nèi)部參考電壓或者外部參考電壓，可以從數(shù)據(jù)手冊(cè)中了解內(nèi)部參考電壓的誤差。以RX23E-A中24位Sigma-DeltaADC的內(nèi)部參考電壓源為例，其誤差范圍如下表：在實(shí)際應(yīng)用中，基準(zhǔn)電壓是提供ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的參考電壓，是保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。在要求較高精度時(shí)，基準(zhǔn)電壓要考慮單獨(dú)用高精度穩(wěn)定電源供給。此外，外加模擬電源和數(shù)字電源也要盡量采用穩(wěn)定性高（電源電壓敏感度<0.002%）、受溫度變化小的電源。請(qǐng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估，是否選用更高精度并且穩(wěn)定的外部參考電壓，從而提高精度。3如果PGA可調(diào)增益系數(shù)一般是越小噪聲越低ADC內(nèi)部的PGA增益越大，本身PGA的噪聲會(huì)增加，另外ADC輸入噪聲被放大的越多。所以ADC內(nèi)部增益越大，有效位數(shù)越小。還是以RX23E-A中24位Sigma-DeltaADC的精度特性指標(biāo)為例，在測(cè)試條件一致的情況下，PGA增益越大，有效位數(shù)的值越小。但是這點(diǎn)需要注意，使用ADC時(shí)一般推薦最好用到滿量程，此時(shí)ADC精度不浪費(fèi)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要權(quán)衡這兩點(diǎn)，從而達(dá)到更好的精度。4通過(guò)軟件濾波算法改善測(cè)量結(jié)果在采樣過(guò)程中，導(dǎo)致采樣電壓波動(dòng)的因素有很多?？赡苁怯捎谕饨绲碾S機(jī)信號(hào)干擾引起。也可能是由于電路中產(chǎn)生的諧波信號(hào)引起的周期性干擾信號(hào)。用軟件濾波方法則可以有效減小此類誤差。常用濾波算法如下：算術(shù)平均濾波法遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）中值濾波法一階滯后濾波法加權(quán)平均濾波法5使用ADC模塊自帶的平均功能某些MCU的ADC模塊具有平均功能，比如RX23E-A的24位Sigma-DeltaADC模塊就自帶平均功能，可以從8、16、32或者64中選擇想要平均的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參看下表。但是需要注意的是，使用模塊自帶的平均功能，將會(huì)延長(zhǎng)得到轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間，所以需要按照用戶要求進(jìn)行評(píng)估。6改善ADC電路和PCB布線為了使ADC達(dá)到最佳的性能，我們需要正確地設(shè)計(jì)和配置整個(gè)系統(tǒng)。在硬件方面，可進(jìn)行以下配置，例如：在芯片電源引腳間放置0.1uF的電容，電容應(yīng)盡可能地貼近芯片封裝（每對(duì)電源引腳間放置一個(gè)電容）PCB走線長(zhǎng)度應(yīng)該盡量短在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮PCB走線上寄生參數(shù)的影響必須小心處理模擬電源以及參考引腳，使它們的噪聲幅度最小針對(duì)數(shù)字部分和模擬部分使用不同的供電電源和地平面如果數(shù)字部分和模擬部分連接到了相同的供電電源，則應(yīng)該在數(shù)字部分和模擬部分之間使用一個(gè)小的電感或磁珠進(jìn)行連接使用地平面將有噪聲的數(shù)字元件與模擬元件隔離開來(lái)，走線時(shí)用模擬地將模擬信號(hào)包圍起來(lái)外部RC元件的取值會(huì)從本質(zhì)上影響ADC轉(zhuǎn)換的精度，為了獲得最佳