如何提高ADC精度

ADC（Analog-to-Digital Converter的缩写）意思是模数转换器。是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易存储、处理和传送的数字形式。ADC（模/数转换器）可以实现这个功能，在各种不同的产品中可以找到它的身影。与之相对应的是DAC（Digital-to-Analog Converter的缩写），意思是数模转换器，它是ADC模数转换的逆变换。

提到一颗MCU的ADC精度，大家首先想到的是多少位，比如10位、12位。其实准确来说，10位、12位是分辨率，并非精度。ADC的精度和分辨率是两个不同的概念。精度是指转换后所得结果相对与实际值的准确度；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。一般来讲，分辨率越高，转换误差越小；但影响精度的因素较多，分辨率很高的ADC，可能并不一定具有很高的精度。所以，在实际应用中，更应该关注的是精度这个参数。

另外，AD转换结果的精度除了ADC模块本身性能的影响，还受其他因素的影响，比如外部环境温度的变化、内部ADC参考电压等。

以瑞萨RA2A1中24位Sigma-Delta ADC为例，我们可以通过RA2A1硬件手册和Sigma-Delta ADC性能文档得到以下ADC精度参数。

在实际ADC应用中，用户十分关注精度这个指标，所以本篇文章从以下6个方面出发，来介绍提高ADC精度的方法。

模拟输入可以是单端输入或是差分输入。差分输入尤其适用于要求精度在12位或以上的设计，这种输入方式能消除输入线路上可能存在的共模噪声。

一些A/D转换器具有伪差分输入。在伪差分配置下，两个引脚（VIN+和VIN-）用作输入信号线。伪差分输入与标准差分输入的区别在于：VIN-引脚上的信号只能相对于VSS电源轨的电压偏离一个很小的范围。虽然这种限制要求此类A/D转换器必须与单端信号源连接，但它的输入级仍然具有消除输入引脚上微小的共模波动的能力。

一般MCU中的ADC可以使用内部参考电压或者外部参考电压，可以从数据手册中了解内部参考电压的误差。以RX23E-A中24位Sigma-Delta ADC的内部参考电压源为例，其误差范围如下表：

在实际应用中，基准电压是提供ADC转换时的参考电压，是保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压要考虑单独用高精度稳定电源供给。此外，外加模拟电源和数字电源也要尽量采用稳定性高（电源电压敏感度<0.002%）、受温度变化小的电源。请根据实际情况进行评估，是否选用更高精度并且稳定的外部参考电压，从而提高精度。

ADC内部的PGA增益越大，本身PGA的噪声会增加，另外ADC输入噪声被放大的越多。所以ADC内部增益越大，有效位数越小。

还是以RX23E-A中24位Sigma-Delta ADC的精度特性指标为例，在测试条件一致的情况下，PGA增益越大，有效位数的值越小。

但是这点需要注意，使用ADC时一般推荐最好用到满量程，此时ADC精度不浪费。在实际应用中，需要权衡这两点，从而达到更好的精度。

在采样过程中，导致采样电压波动的因素有很多。可能是由于外界的随机信号干扰引起。也可能是由于电路中产生的谐波信号引起的周期性干扰信号。用软件滤波方法则可以有效减小此类误差。常用滤波算法如下：

某些MCU的ADC模块具有平均功能，比如RX23E-A的24位Sigma-Delta ADC模块就自带平均功能，可以从8、16、32或者64中选择想要平均的数据个数，详细内容请参看下表。

但是需要注意的是，使用模块自带的平均功能，将会延长得到转换结果的时间，所以需要按照用户要求进行评估。

为了使ADC达到最佳的性能，我们需要正确地设计和配置整个系统。在硬件方面，可进行以下配置，例如：

外部RC元件的取值会从本质上影响ADC转换的精度，为了获得最佳的ADC性能，我们需要小心对待并设计外部RC元件，在选取采样时间时也必须参考采样电容充电的时间常数

因此，在使用ADC时，除了前期选型注意精度要求以外，在实际调试时注意以上6个方面的内容，也可以在一定程度上提高转换精度。

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