如何提高单片机ADC的精度

ADC（模数转换）是我们常用的一种器件，特别是众多模拟传感器的采集就需要用ADC，以至于市面上大部分单片机都集成了ADC这种外设。在描述如何ADC精度之前，我们先来简单的了解一下ADC。ADC（Analog-to-DigitalConverter的缩写）意思是模数转换器。是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易存储、处理和传送的数字形式。ADC（模/数转换器）可以实现这个功能，在各种不同的产品中可以找到它的身影。与之相对应的是DAC（Digital-to-AnalogConverter的缩写），意思是数模转换器，它是ADC模数转换的逆变换。接下来看一下我们常说的ADC精度到底是指什么呢？提到一颗MCU的ADC精度，大家首先想到的是多少位，比如10位、12位。其实准确来说，10位、12位是分辨率，并非精度。ADC的精度和分辨率是两个不同的概念。精度是指转换后所得结果相对与实际值的准确度；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。一般来讲，分辨率越高，转换误差越小；但影响精度的因素较多，分辨率很高的ADC，可能并不一定具有很高的精度。所以，在实际应用中，更应该关注的是精度这个参数。另外，AD转换结果的精度除了ADC模块本身性能的影响，还受其他因素的影响，比如外部环境温度的变化、内部ADC参考电压等。以瑞萨RA2A1中24位Sigma-DeltaADC为例，我们可以通过RA2A1硬件手册和Sigma-DeltaADC性能文档得到以下ADC精度参数。在实际ADC应用中，用户十分关注精度这个指标，所以本篇文章从以下6个方面出发，来介绍提高ADC精度的方法。1采用差分输入降低输入的共模干扰模拟输入可以是单端输入或是差分输入。差分输入尤其适用于要求精度在12位或以上的设计，这种输入方式能消除输入线路上可能存在的共模噪声。一些A/D转换器具有伪差分输入。在伪差分配置下，两个引脚（VIN+和VIN-）用作输入信号线。伪差分输入与标准差分输入的区别在于：VIN-引脚上的信号只能相对于VSS电源轨的电压偏离一个很小的范围。虽然这种限制要求此类A/D转换器必须与单端信号源连接，但它的输入级仍然具有消除输入引脚上微小的共模波动的能力。2采用高精度稳定电源供给减少电源电压变化误差一般MCU中的ADC可以使用内部参考电压或者外部参考电压，可以从数据手册中了解内部参考电压的误差。以RX23E-A中24位Sigma-DeltaADC的内部参考电压源为例，其误差范围如下表：在实际应用中，基准电压是提供ADC转换时的参考电压，是保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压要考虑单独用高精度稳定电源供给。此外，外加模拟电源和数字电源也要尽量采用稳定性高（电源电压敏感度<0.002%）、受温度变化小的电源。请根据实际情况进行评估，是否选用更高精度并且稳定的外部参考电压，从而提高精度。3如果PGA可调增益系数一般是越小噪声越低ADC内部的PGA增益越大，本身PGA的噪声会增加，另外ADC输入噪声被放大的越多。所以ADC内部增益越大，有效位数越小。还是以RX23E-A中24位Sigma-DeltaADC的精度特性指标为例，在测试条件一致的情况下，PGA增益越大，有效位数的值越小。但是这点需要注意，使用ADC时一般推荐最好用到满量程，此时ADC精度不浪费。在实际应用中，需要权衡这两点，从而达到更好的精度。4通过软件滤波算法改善测量结果在采样过程中，导致采样电压波动的因素有很多。可能是由于外界的随机信号干扰引起。也可能是由于电路中产生的谐波信号引起的周期性干扰信号。用软件滤波方法则可以有效减小此类误差。常用滤波算法如下：算术平均滤波法递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）中值滤波法一阶滞后滤波法加权平均滤波法5使用ADC模块自带的平均功能某些MCU的ADC模块具有平均功能，比如RX23E-A的24位Sigma-DeltaADC模块就自带平均功能，可以从8、16、32或者64中选择想要平均的数据个数，详细内容请参看下表。但是需要注意的是，使用模块自带的平均功能，将会延长得到转换结果的时间，所以需要按照用户要求进行评估。6改善ADC电路和PCB布线为了使ADC达到最佳的性能，我们需要正确地设计和配置整个系统。在硬件方面，可进行以下配置，例如：在芯片电源引脚间放置0.1uF的电容，电容应尽可能地贴近芯片封装（每对电源引脚间放置一个电容）PCB走线长度应该尽量短在实际应用设计中应充分考虑PCB走线上寄生参数的影响必须小心处理模拟电源以及参考引脚，使它们的噪声幅度最小针对数字部分和模拟部分使用不同的供电电源和地平面如果数字部分和模拟部分连接到了相同的供电电源，则应该在数字部分和模拟部分之间使用一个小的电感或磁珠进行连接使用地平面将有噪声的数字元件与模拟元件隔离开来，走线时用模拟地将模拟信号包围起来外部RC元件的取值会从本质上影响ADC转换的精度，为了获得最佳