STM32 精准采集ADC电压,误差分析

只看该作者 · 2024-6-30 23:50

ADC模块采集电压流程STM32 大部分系列都是使用SAR 逐次逼近型电压采集VIN是采集的模拟输入口，VREF表示参考电压。Sa PIN和内部ADC的开关。Sb 接地开关。电压采集阶段电压采集阶段就是内部电容充电的过程。Sb闭合后ADC内部（这里称之为采样保存电路，并不是转换器核心）的电容会进行充电，这个过程需要消耗一定的时间。一但采集完成，相当于复制了一份模拟输入引脚的电压值。采集阶段完成后

ADC模块采集电压流程

数字世界和模拟世界的桥梁，对于嵌入式软件而言，大家止于采集功能的实现。

本文目的在于深入理解ADC，积累技术做出更加稳定优秀的产品。

STM32 大部分系列都是使用SAR 逐次逼近型电压采集
VIN是采集的模拟输入口，VREF表示参考电压。Sa PIN和内部ADC的开关。Sb 接地开关。

只看该作者 · 2024-6-30 23:50

电压采集阶段

电压采集阶段就是内部电容充电的过程。Sb闭合后ADC内部（这里称之为采样保存电路，并不是转换器核心）的电容会进行充电，这个过程需要消耗一定的时间。一但采集完成，相当于复制了一份模拟输入引脚的电压值。采集阶段完成后这个时候VIN已经不需要了，也就是说这个Pin 上的电压已经采集完毕。

只看该作者 · 2024-6-30 23:51

等效电路就是VIN对电容2C进行充电。

只看该作者 · 2024-6-30 23:51

前面说道这里是采用保持电路，所以有保持阶段

这个阶段就是各个电容充电完毕，在ADC核心转换器工作前的这断时间。这个时候VIN PIN模拟输入引脚已经和ADC断开了。Sb开路。

只看该作者 · 2024-6-30 23:51

也就是说实际上ADC 转换核心转换的是采样保持电路的电压。所以务必要根据手册，明确采样阶段最小用时，确保充电阶段完成。

其等效电路入上图所示电容器一断的电压为-VIN

只看该作者 · 2024-6-30 23:52

转换阶段
这个阶段的重点在于每次二分。

只看该作者 · 2024-6-30 23:52

只看该作者 · 2024-6-30 23:52

这里设计到一些电路的知识，如果是软件开发会比较难懂

只看该作者 · 2024-6-30 23:52

只看该作者 · 2024-6-30 23:52

具体的过程讲起来比较复杂，软件工程师只需要对其逐次逼近转换的二分思路有理解即可。

这个可能会因为各个芯片的转换核心而异

只看该作者 · 2024-6-30 23:53

本节重点：
1.ADC的采样保持电路，采集VIN电压，形成副本供ADC转换核心使用
2.电压转换逐次逼近转换的二分思路 0.5+0.25+0.125+…=1

只看该作者 · 2024-6-30 23:53

关于采样时间，采样时间是电容充电的过程，如上图所示，实线代表充电过程虚线代表放电。
t =RC, C 为采样电容，R为充电回路的电阻。
一般来说需要5 RC采样时间，这样内部电容可以精准的采集到输入电压。

只看该作者 · 2024-6-30 23:53

5RC 时间大概采集到两端电压的99.3%

6RC 时间大概采集到两端电压的99.8%
这个电压值***都无法充电到100%V，一般来说5RC的时间，认为充满。

只看该作者 · 2024-6-30 23:53

5RC 充满到99.3%，还有千分之七的电压未采集。 7/1000
一般的ADC 12位 1/4049的采样精度。这个时候需要去看产品的设计要求。一般情况下不需要做补偿。

只看该作者 · 2024-6-30 23:53

ADC module 转换误差
对于STM32 ADC，电压的最小可检测增量变化用LSB表示为：

1 LSB 表示ADC模块可分辨的最小电压
12 位ADC 其一个单位表示V* 1/4096
10 位ADC 其一个单位表示V* 1/1024

为了后面书写方便 1LSB的系数表示为 12 位ADC P = 1/4096 ，10 位ADC P= 1/1024

满量程转换电压V
V 满量程转换电压，这部分不同的ADC和电路有不同的设计
V =（VREF+）-（VREF-）一般采用这种

V =（VREF+）-（VSSD）
其中VSSD可以为GND。这取决于电路设计。

resault = Vin/V *P 其中Vin为需要采集的电压
Vin在不同的ADC模块中有不同的配置
Vin = Vi -VGND,对地电压
Vin = Vp -Vn 差分输入电压。
Vin = Vp- Vref-
一般而言是最后一种，取决于电路的连接情况和ADC模块。

只看该作者 · 2024-6-30 23:53

把ADC作为一个系统而言，Vin是系统的输入，resault 是系统的输出

V是系统内部的电压，其如果变化，那么输出结果变化。转换结果的稳定性就会受到影响。

只看该作者 · 2024-6-30 23:54

ADC器件内部的误差

1.偏移误差 offset

offset一般指的是偏移误差，较正确值产生的一段位移。

理想情况下，当模拟输入介于0.5 LSB和1.5 LSB之间时，数字输出应为1。

V >0.5 LSB 输出1，V<0.5LSB 输出0,实际上 V>0.5LSB +W 时输出才为1，V<0.5LSB +W 为0
就会有下面的曲线，W>0 也就是Eo >0

只看该作者 · 2024-6-30 23:54

w < 0 时

可通过应用固件轻松校准偏移误差。也就是在ADC初始化的时候 calibration

ADC Calibration 是一个很复杂的学问。我们只需要记得，一定要开启。

只看该作者 · 2024-6-30 23:54

增益误差是指ADC实际传输特性曲线和理想传输特性曲线的偏差程度。增益误差的单位是%FSR（满量程值）。如果没有校准，那么增益误差会限制信号输出的准确性

红线为理想ADC的传输特性曲线，蓝线为实际ADC的传输特性曲线。
当然蓝色曲线在红色上方误差为 + ，再下方是为 -

只看该作者 · 2024-6-30 23:54

微分线性误差
手册用 Linearity error 来表示。他表示了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值，和真实值之间误差最大的那一点的误差值。
输出数值偏离线性最大的距离