本帖最后由 sparrow054 于 2022-7-12 20:52 编辑
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/7=714mV。如果是8bit分辨率,那么1个LSB对应5/255=19mV。 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/(N+D)) *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。 Wait,Stop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。
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