模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度和準(zhǔn)確度的基本了解

了解ADC性能，尤其是與系統(tǒng)要求相關(guān)的性能，并不總是一件容易的事。例如，一個客戶為他們的產(chǎn)品設(shè)計了一個他們認(rèn)為是簡單的低端測試系統(tǒng)?？蛻?需要 開發(fā) 精度 為 1% 的 測試 系統(tǒng)， 因此 決定 使用 與 MCU 集成 的 12 位 分辨率 ADC。使用集成ADC的原因是，它們有足夠的裕量來滿足12位ADC的精度要求。事實證明，這不是一個正確的評估。他們的第一個錯誤是他們不了解如何正確評估所需的準(zhǔn)確性。

由于系統(tǒng)級測量不準(zhǔn)確，其測試系統(tǒng)的初始制造運(yùn)行顯示廢品率為2%。這促使他們走上了升級MCU的道路，以便他們可以實施額外的數(shù)字處理來提高系統(tǒng)精度。這是他們的第二個錯誤。他們錯誤地診斷了2%剔除率的根本原因，并通過應(yīng)用額外的數(shù)字處理加劇了他們的第一個錯誤。結(jié)果是他們的下一次生產(chǎn)運(yùn)行具有高達(dá)5%的廢品率和更高的可變性。

當(dāng)客戶認(rèn)為他們的準(zhǔn)確性比他們需要的要高得多時，他們是如何設(shè)計一個失敗的系統(tǒng)？客戶未能解釋ADC的關(guān)鍵規(guī)格并將其應(yīng)用于所需的系統(tǒng)要求。

讓我們回顧一下決策過程，以評估他們是如何在這種情況下結(jié)束的?？蛻舴傅牡谝粋€錯誤是將分辨率與精度和準(zhǔn)確性混為一談，這是一個常見的錯誤。第二個錯誤是未能確定導(dǎo)致高拒絕率的真正錯誤來源。這反過來又導(dǎo)致了進(jìn)一步提高廢品率的解決方案。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率

分辨率是ADC的第一個也是搜索最廣泛的參數(shù)?？蛻舨榭戳薃DC分辨率，并假設(shè)它與ADC的精度和精密度相匹配。問題在于，分辨率、精度和準(zhǔn)確度并不總是相關(guān)的，并且在給定的ADC上可能會有很大差異。

ADC的分辨率僅指ADC輸出的位數(shù)或代碼數(shù)。它不能定性指示來自ADC的數(shù)據(jù)的精度或準(zhǔn)確度。

并非所有12位ADC都是平等的。您必須深入挖掘才能了解ADC提供的性能。

這可以通過查看分辨率的定性指標(biāo)來實現(xiàn)，例如有效分辨率（位），有效位數(shù)（ENOB）和噪聲（伏特）。這些屬性用于以略有不同的方式定義分辨率。

有效分辨率只是考慮ADC相對于滿量程輸入的噪聲的可用ADC分辨率。有效分辨率通常用作定性品質(zhì)因數(shù)，以指示DC RMS（均方根）噪聲的影響，即ADC讀數(shù)與平均值相差一個標(biāo)準(zhǔn)差。例如，如果從100位ADC獲取12個讀數(shù)，并將100個讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差計算為2位，則ADC的有效分辨率為10位。

ENOB類似于有效分辨率，但就位而言，它是AC RMS噪聲的定性品質(zhì)因數(shù)。

噪聲是表示ADC有效分辨率的另一種方式，但它以伏特為單位進(jìn)行量化。

當(dāng)試圖根據(jù)參考輸入的信號比較ADC的性能時，噪聲很有用，而在試圖理解ADC的噪聲時，位很有用，因為它與ADC的滿量程代碼范圍有關(guān)。例如，讓我們比較具有12位有效分辨率的ADC和具有10位有效分辨率的ADC。具有12位有效分辨率的ADC具有5 V的滿量程范圍，折合到輸入端的噪聲為（5V/2^12）= 1.2mV。具有10位有效分辨率的ADC具有1 V的滿量程范圍，折合到輸入端的噪聲為（1V/2^10） = 0.98mV。12位有效分辨率ADC具有更高的折合輸入噪聲，因此最佳RMS精度為1.2mV，但輸入范圍更寬。10位有效分辨率具有較低的輸入?yún)⒖荚肼?，但具有較小的輸入范圍。

哪個ADC更好？答案取決于您的應(yīng)用需求。

精度

精度是測量結(jié)果持續(xù)再現(xiàn)的能力，換句話說，是測量值的可重復(fù)性。測量精度越高，就越能發(fā)現(xiàn)細(xì)微的差異。精度高很好。

準(zhǔn)確性

精度是測量與被測量的實際值相匹配的能力。嘗試測量特定值時需要它。高精度非常好。

精度和準(zhǔn)確性哪個更重要？

假設(shè)我買了一套箭，然后去射箭場使用三個系統(tǒng)來展示精度和準(zhǔn)確性。

圖 1 顯示了系統(tǒng) 1，這是一個精確系統(tǒng)的示例。請注意，箭頭是緊密分組的，這表明啟動箭頭的方法非常可重復(fù)。但是，它們沒有接近靶心的預(yù)期目標(biāo)，這意味著發(fā)射器或箭頭的性能無法準(zhǔn)確。

圖 2 顯示了系統(tǒng) 2，這是一個精確、準(zhǔn)確的系統(tǒng)示例。同樣，請注意箭頭是緊密分組的，這表明啟動箭頭的方法非?？芍貜?fù)。另請注意，它們分組在靶心上，這表明精度很高。

圖 3 顯示了系統(tǒng) 3，這是一個既不精確也不準(zhǔn)確的系統(tǒng)示例。箭頭沒有緊密分組，精度低。

精度和準(zhǔn)確性哪個更重要？

為了回答這個問題，讓我們再次看一下這三個系統(tǒng)。

如果一個月后，制造了一套新的箭，而我在射箭場使用這些箭，會發(fā)生什么？我希望系統(tǒng) 1 中的分組保持緊密，但由于新箭頭與舊箭頭不同，因此分組可能已移動到目標(biāo)上的不同位置。我還希望系統(tǒng) 2 和系統(tǒng) 3 中的分組與以前相同。

如果第二天射箭場的溫度、濕度或風(fēng)改變了方向會怎樣？同樣，我希望系統(tǒng) 1 中的分組保持緊密，但分組將移動到目標(biāo)上的不同位置。此外，我希望系統(tǒng) 2 和系統(tǒng) 3 中的分組與以前相同。

如果我每天發(fā)射一組環(huán)境條件不斷變化的新制造的箭頭，會發(fā)生什么？大約 30 天后，系統(tǒng) 2 看起來與第一天相同，但系統(tǒng) 1 和系統(tǒng) 3 將開始看起來相同。隨著時間的推移，沒有精度的精密系統(tǒng)開始看起來像一個既沒有精度也沒有精度的系統(tǒng)，因為精度會根據(jù)內(nèi)部變化（制造）和外部變化（環(huán)境）而變化。

這就是本文開頭示例中客戶所發(fā)生的情況。他們認(rèn)為自己有準(zhǔn)確性，但意識到他們沒有。然后他們試圖提高精度來補(bǔ)償，但系統(tǒng)發(fā)生了變化，因此他們失去了精度和準(zhǔn)確性，不得不重新設(shè)計他們的系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們對分辨率、精度和準(zhǔn)確度有了很好的了解，我們可以將這種理解應(yīng)用到我們的ADC上。在第二部分中，我們將繼續(xù)探索客戶示例，以了解定義精度和準(zhǔn)確度的ADC參數(shù)。這將最終使我們能夠達(dá)到滿足我們要求的系統(tǒng)精度。

審核編輯：郭婷