ADC的各種指標(biāo)如何理解，如何提高ADC轉(zhuǎn)換精度

在此我們簡要總結(jié)一下ADC的各種指標(biāo)如何理解，以及從硬件到軟件都有哪些可以采用的手段來提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。

1．ADC指標(biāo)

除了分辨率，速度，輸入范圍這些基本指標(biāo)外，衡量一個(gè)ADC好壞通常會(huì)用到以下這些指標(biāo)：失調(diào)誤差，增益誤差，微分非線性，積分非線性，信噪比，信納比，有效位數(shù)，總諧波失真。讓我們以下圖為例來看一下這些指標(biāo)的意義。

LSB

參數(shù)中經(jīng)常用LSB作為單位，比如說差分非線性為2 LSB。這究竟是多大一個(gè)值呢？為了簡單起見，我們以一個(gè)3bit分辨率，滿量程為5V的ADC為例。1個(gè)LSB對(duì)應(yīng)的電壓大小為5V／7＝714mV。如果是8bit分辨率，那么1個(gè)LSB對(duì)應(yīng)5／255＝19mV。

圖中橫軸為輸入電壓Vin增長方向，縱軸為數(shù)字輸出。理想情況下輸入電壓每增長1LSB（714mV），那么輸出會(huì)向上跳變一次，對(duì)應(yīng)虛線L1所在轉(zhuǎn)換曲線。但實(shí)際電路往往會(huì)引入偏差，轉(zhuǎn)換曲線往往如 L2 所對(duì)應(yīng)曲線。

失調(diào)誤差（Offset Error）

電壓從0開始增大時(shí)，引起輸出第一次跳變的電壓值，與理論上應(yīng)該引起第一次跳變的電壓值（0．5 LSB）的差值。衡量小電壓時(shí)的轉(zhuǎn)換精度。如圖中，理論上應(yīng)該在0．5 LSB處跳變，實(shí)際電壓增大到1 LSB時(shí)才跳變，所以O(shè)ffset Error是 1–0．5 ＝ 0．5 LSB。

增益誤差（Offset Error）

可以理解為實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線偏離理想曲線的程度。用最接近滿量程時(shí)跳變點(diǎn)電壓值和理論跳變點(diǎn)電壓值的差表示。

差分非線性 DNL（Differential Non－Linearity）

理論上每增加或減少1 LSB 的電壓，都會(huì)引起輸出對(duì)應(yīng)的一次跳變。但實(shí)際情況可能如圖中a，b處所示，電壓的步距大于或小于1個(gè)LSB的理論步距。

a 處 DNL ＝ 1．5 – 1 ＝ 0．5 LSB；

b 處 DNL ＝ 0．5 – 1 ＝ －0．5 LSB；

積分非線性 INL（Integral Non Linearity）

差分非線性累積起來造成的對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線的最大偏離就是INL。如圖中所示，需要注意的是INL不能表征對(duì)理想轉(zhuǎn)換曲線的偏離程度。

總不可調(diào)整誤差 TUE（Total Unadjusted Error）

實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線之間最大的偏離。在最糟糕的一點(diǎn)，我們通過ADC得到的電壓，與實(shí)際電壓的差值。通俗講就是最不準(zhǔn)的一點(diǎn)差多少。

思考一下，如果 DNL 和 INL 都非常好，那么是不是說明 TUE 就非常好？

對(duì)，還真不一定。即使線性度非常好，如果增益誤差大，還是會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果大的偏差。

信噪比 SNR（Signal－to－Noise Ratio）

有用信號(hào)與噪聲的能量比。我們總是期望信噪比越大越好。對(duì)于一個(gè) N－Bit 分辨率的ADC來說，如果輸入是一個(gè)滿量程的正弦信號(hào)，在只考慮量化噪聲的情況下，可以推導(dǎo)出一個(gè)有用的公式：

SNR ＝ 6．02N ＋ 1．76dB

推導(dǎo)過程見參考文檔ADI： MT－001

此公式直觀的表明了ADC分辨率和信噪比之間的量化關(guān)系。

信納比 SINAD （Signal－to－Noise－and－Distortion Ratio）

實(shí)際ADC是無法達(dá)到理想狀態(tài)的，它的輸出除了會(huì)引入噪聲，還會(huì)引入輸入信號(hào)的諧波。SINAD是有用信號(hào)能量，與諧波（Distortion）加噪聲（Noise）能量的比，它更能體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的ADC性能。

SINAD ＝ 20log（S／（N＋D））

＊而SNR ＝ 20log（S／N）

有效位數(shù) ENOB（Effective Number of Bits）

體現(xiàn)ADC實(shí)際性能相當(dāng)于多少位。可以從SINAD推出：

ENOB ＝ （SINAD–1．76）／6．02

＊和理想情況下的位數(shù)對(duì)應(yīng)：NOB ＝（SNR － 1．76）／6．02。

總諧波失真 THD（Total Harmonic Distortion）

有用信號(hào)能量與諧波能量的比。

THD ＝ 20log（S／D）

2．如何提高轉(zhuǎn)換精度

模擬電源（VDDA）和電壓參考（VREF）

有的單片機(jī)ADC模塊會(huì)引出單獨(dú)的電源引腳和電壓參考引腳，最好用LDO給這些引腳供電，或者用磁珠和濾波電容把這部分電源從數(shù)字部分隔離出來。

輸入信號(hào)的輸出阻抗

下圖是ADC采樣簡化等效電路。ADC采樣和保持電路的等效輸入電阻電容Radc，和Cadc，手冊(cè)中都會(huì)給出。在采樣期間，開關(guān)SW會(huì)接通外部的信號(hào)輸入電路，給采樣電容Cadc充電至和輸入信號(hào)相等（接近），之后SW斷開，ADC對(duì)采樣電容上的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如果采樣時(shí)間過短，或者輸入信號(hào)的輸出阻抗過大，將導(dǎo)致采樣電壓不準(zhǔn)。在信號(hào)源輸出阻抗過高時(shí)，可以考慮增加一級(jí)運(yùn)放。

高頻串?dāng)_

如果與模擬輸入引腳靠近的IO上有高頻翻轉(zhuǎn)的信號(hào)，或者PCB上有與輸入信號(hào)長距離的平行走線，串?dāng)_將干擾輸入信號(hào)。應(yīng)避免ADC引腳臨近信號(hào)高頻翻轉(zhuǎn)。在ADC輸入布線和臨近的走線之間用地線隔離開也可以避免ADC精度下降。

Wait，Stop模式

如果ADC在Wait和Stop模式下還可以工作，在此種模式下可以最大限度的降低MCU電源的波動(dòng)，提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。

過采樣（Oversampling）

如果采樣頻率為fs，那么對(duì)于fs／2以內(nèi)的信號(hào)頻率既可以獲得完整信息。過采樣是用遠(yuǎn)高于所需的采樣頻率去采樣，這樣噪聲就會(huì)均攤在整個(gè)采樣頻帶內(nèi)。我們用數(shù)字濾波器可以濾除有用信號(hào)頻帶之外的噪聲，從而使頻帶內(nèi)的信噪比提高，獲得更高的分辨率。對(duì)多次轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行平均也可以提高結(jié)果的精度。

芯片內(nèi)部校正

很多單片機(jī)內(nèi)部都有校正機(jī)制（Calibration），每次上電后執(zhí)行一次Calibration，可以以提高ADC的精度。

溫度的影響

ADC受溫度影響比較大，特別是失調(diào)誤差和增益誤差。如果芯片工作溫度范圍很寬，可以在不同的溫度下預(yù)先測量，按溫度做出查找表以在實(shí)際工作時(shí)做校正。

混入白噪聲

這種方法對(duì)提高直流信號(hào)的分辨率很有用。如果輸入信號(hào)接近直流而且很穩(wěn)定，那么輸出就不會(huì)產(chǎn)生跳變，比如輸出一直是0x15A，我們無法確認(rèn)輸入電平是更接近0x159，還是更接近0x15B。那么我們可以人為地把白噪聲混入信號(hào)，使信號(hào)產(chǎn)生小的波動(dòng)從而輸出產(chǎn)生跳變，然后再通過數(shù)學(xué)平均得出一個(gè)精度更高的數(shù)值。實(shí)際操作中可以用GPIO產(chǎn)生一個(gè)方波然后通過阻容耦合進(jìn)輸入信號(hào)引腳。

審核編輯：符乾江