單片機提升ADC精度總結

          在經常使用傳感器中，模數轉換器是其中相當重要的環節，模數轉換器的精度以及系統的成本直接影響到系統的實用性。所以。如何提升模數轉換器的精度和下降系統的成本是衡量系統是否具備實際應用價值的標準。

 

 

                                                                     圖 1    ADC工做流程

1、ADC簡單介紹                                                                             

        ADC可分爲SAR型、積分型、Σ－Δ型、摺疊型等方式。SAR ADC因其功耗低、精度高、面積小等特色而被用於超大規模IC和片上系統中。SAR ADC的精度是關鍵參數。SAR ADC有采樣、量化和編碼等三種功能。三種功能中，採樣最重要。採樣的精確性決定了ADC的轉換精度。逐次逼近型 ADC 中電路模塊主要包括：S/H 電路、電容陣列、比較器、逐次逼近控制邏輯、時鐘及偏置電路等，而 S/H 電路、電容陣列、比較器是高精度逐次逼近型 ADC 設計的關鍵。

        首先由採祥保持電路採集並保持某點信號一段時間,在保持的這段時間裏,對該點信號進行量化處理,以0或1數字編碼形式輸出,該串數字碼與不一樣權重的參考電壓相乘再相加,就是該點的電壓值。按照這種方式,每隔必定週期就能夠量化連續的模擬信號某點的電壓值,採樣點越多,還原的模擬信號就會越精確。

 

 

                                                                      圖 2    不一樣ADC架構性能總結

         ADC的精度是整個電路和系統精度相當重要的部分。ADC的精度和分辨率是兩個不一樣的概念。精度指轉換後所得結果相對與實際值的準確度；分辨率是指轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。通常來說，分辨率越高，轉換偏差越小；但影響精度的因素較多，分辨率很高的ADC，可能並不必定具備很高的精度。

        所謂嵌入式模數轉換器是指將模擬多路開關、採樣保持、A／D轉換、微控制器集成在一個芯片上。常常採用逐次比較型進行A／D轉換，模擬輸入信號通常爲非負單極性。且輸入信號的電壓範圍爲0～AVREF。

2、影響ADC精度參數                                                                    

        在驗證ADC性能的時候,能夠經過相關參數衡量其性能優劣,這些參數大致分爲兩大類,即靜態參數和動態參數。

       一、ADC靜態特性參數

        靜態特性與時間無關,它是指實際量化特性與理想量化特性之間存在的誤差,包括:積分非線性偏差(Integral Non-Linearity:INL)、微分非線性偏差(Differential Non-Linearity; DNL)、增益偏差(Gain error)、失調偏差(Offset error)、分辨率(resolution)。

      （1）增益偏差(Gain error)

        ADC 模塊的輸入、輸出是線性關係。但實際上, ADC模塊是存在增益偏差和偏移偏差的, 其中增益偏差是實際曲線斜率和理想曲線斜率之間的誤差, 偏移偏差（或失調偏差）是0 V輸入時實際輸出值與理想輸出值(0 V)之間的誤差。

 

      （2）積分非線性偏差(Integral Non-Linearity:INL)

           模數轉換器的積分非線性偏差用來衡量實際特性曲線與理想特性曲線的最大差值,它表示了實際有限精度曲線相對與理想有限精度曲線的偏移量,能夠用來估算諧波失真,一般以百分數或LSB爲單位。

 

     （3）微分非線性偏差(DNL)

          微分非線性偏差爲每一個量化階梯上測量的相鄰編碼之間的距離,一般是由電路元器件的非理想因素引入的模擬増量偏移值,以百分比或LSB爲單位。

 

        二、ADC動態特性參數

        ADC的動態特性參數一般與ADC的轉換速率和輸入信號頻率相關。主要包括:信噪比(SNR)、信噪失真比(SNDR)、無雜散動態範圍(SFDR)、總諧波失真(THD)、有效位數(ENOB)。

       三、溫度溼度環境及電源電壓的波動引發的偏差、採樣電壓的波動

       在實際應用中，因爲環境溫度、溼度等參數的變化可能會引入一些偏差。電源電壓的不穩定也會帶來必定的偏差，採樣電壓的波動(多是因爲高頻信號疊加，或者其餘隨機干擾信號)，對整個系統的精度產生影響，電源電壓變化引發的轉換偏差在高精度要求場合不可忽略。

      四、其餘因素

        模數轉換器（ADC）想要在實際應用中達到標稱的精度，僅僅依賴ADC模塊自己是不夠的，實際的測量精度還會受到一系列外在因素的影響，例如：

          •ADC時間配置（包括採集時間、轉換時間、採樣時間、採樣時鐘抖動等等）

          •電源性能（噪聲和內部阻抗）

         •數據採集系統中數字和模擬部分的隔離狀況

         •內部阻抗與外部阻抗的匹配

         •輸入/輸出開關切換的影響

         •PCB佈局佈線

3、提升ADC精度方法                                                                   

       軟件算法提升精度（經常使用的方法）

       在運用具備內置模數轉換模塊的嵌入式單片機來進行模數轉換的過程當中，爲了提升分辨率或對微弱信號採樣識別，目前比較經常使用的方法主要是採用過採樣技術來實現低於最小採樣分辨率的微弱信號採樣。該技術是經過屢次對輸入的採樣信號疊加白噪聲後，再模數轉換輸出，而後對輸出取平均值。 在採樣過程當中，致使採樣電壓波動的因素有不少。多是因爲外界的隨機信號干擾引發。也多是因爲電路中產生的諧波信號引發的週期性干擾信號。用軟件濾波方法則能夠有效減少此類偏差。經常使用濾波算法以下：

      算術平均濾波法

      遞推平均濾波法(又稱滑動平均濾波法)

      中值濾波法

      一階滯後濾波法

       加權平均濾波法

 針對環境及電壓波動解決方案以下：

     （1）採用高精度穩定電源供給，減小電源電壓變化偏差。

        基準電壓是提供ADC轉換時的參考電壓，是保證轉換精度的基本條件。在要求較高精度時，基準電壓要考慮單獨用高精度穩定電源供給。此外，外加模擬電源和數字電源也要儘可能採用穩定性高（電源電壓敏感度<0.002%）、受溫度變化小的電源。固然能夠選擇溫度係數比較好、精度比較高的電源模塊提供穩定的電壓。可是因爲高精度的電源管理模塊價格每每不菲，會大大增長系統的成本。在本設計中，採用市場上面比較常見的LDO做爲電源電壓。

     （2) 利用數學變換減少運算偏差，減少溫度漂移、溼度、環境等及電源電壓的波動引發的偏差。

 

 

 

     （3）利用軟件濾波方法。

針對增益偏差和偏移偏差解決方案以下：

     （1）最小二乘法和一元線性迴歸（直線擬合問題） 用穩定信號源產生多個標準電壓, 經過輸入ADC通道記錄採樣值。而後利用最小二乘和一元線性迴歸思想處理數據, 求出的擬合最佳曲線, 使得各個座標點到該最佳曲線的距離的平方和(殘差平方和)最小。

     （2）在用計算機對模擬信號採集狀況下，將編碼器零電平信號讀入計算機內存中相應的單元，而後纔開始採樣程序的執行。在採樣程序中，將採集到的數據與零電平相減，從而基本上消除偏移溫漂偏差。

ADC時間配置

        在器件中，採樣時間等於一個ADC時鐘週期。該ADC模塊的採樣時間不只依賴於ADC時鐘，還與其餘配置有關，如NXP芯片中能夠經過修改ADCx_CFG1寄存器中的ADLSMP位和ADCx_CFG2寄存器中的ADLSTS位來對採樣時間進行配置。所以，總的轉換時間並不會隨採樣時間增長而顯著增長，這種特性在高輸入阻抗的狀況下尤爲有用。

ADC硬件處理

       爲了使ADC達到最佳的性能，咱們須要正確地設計和配置整個系統。在硬件方面，可進行如下配置，例如： • 在芯片電源引腳間放置0.1uF的電容，電容應儘量地貼近芯片封裝（每對電源引腳間放置一個電容）

      •在芯片電源引腳間放置約爲100uF的電容

      •PCB走線長度應該儘可能短 •在實際應用設計中應充分考慮PCB走線上寄生參數的影響

       •必須當心處理模擬電源以及參考引腳，使它們的噪聲幅度最小 •針對數字部分和模擬部分使用不一樣的供電電源和地平面

      •若是數字部分和模擬部分鏈接到了相同的供電電源，則應該在數字部分和模擬部分之間使用一個小的電感或磁珠進行鏈接

      •使用地平面將有噪聲的數字元件與模擬元件隔離開來，走線時用模擬地將模擬信號包圍起來

     外部RC元件的取值會從本質上影響ADC轉換的精度，爲了得到最佳的ADC性能，咱們須要當心對待並設計外部RC元件，在選取採樣時間時也必須參考採樣電容充電的時間常數