将 A/D 转换器性能与应用相匹配（第一部分

了解 ADC 性能，尤其是当它与系统要求相关时，并不总是一项简单的任务。举个例子，一位客户为他们的一个产品设计了一个他们认为简单的低端测试系统。客户需要开发精度为 1% 的测试系统，因此决定使用与他们的 MCU 集成的 12 位分辨率 ADC。使用集成 ADC 的原因是它们有足够的余量来满足 12 位 ADC 的精度要求。事实证明，这不是一个正确的评估。他们的第一个错误是他们不了解如何正确评估所需的准确性。

由于系统水平测量的不准确，他们测试系统的初始制造运行显示出 2% 的废品率。这使他们走上了升级 MCU 的道路，这样他们就可以实施额外的数字处理来提高系统精度。这是他们的第二个错误。他们错误地诊断了 2% 拒绝率的根本原因，并通过应用额外的数字处理加剧了他们的第一个错误。结果是他们的下一次生产运行的废品率高达 5%，并且具有更高的可变性。

客户如何设计一个系统，但他们认为自己的准确度远远超出了他们的需要，却失败了？客户未能解释 ADC 的关键规格并将其应用于所需的系统要求。

让我们回顾一下决策过程，以评估他们如何在这种情况下结束。客户犯的第一个错误是将分辨率与精度和准确度混淆，这是一个常见的错误。第二个错误是未能确定导致高废品率的真正错误来源。这反过来又导致了进一步提高废品率的解决方案。

ADC分辨率

分辨率是 ADC 的第一个也是最广泛搜索的参数。客户查看 ADC 分辨率并假设它与 ADC 的准确度和精度相匹配。问题是分辨率、精度和准确度并不总是相关的——并且在给定的 ADC 上可能会有很大差异。

ADC 的分辨率仅指 ADC 输出的位数或代码数。它不会对来自 ADC 的数据的精确度或准确度给出定性指示。

并非所有 12 位 ADC 都生而平等。您必须深入挖掘以了解 ADC 提供的性能。

这可以通过查看分辨率的定性指标来实现，例如有效分辨率（位）、有效位数 (ENOB) 和噪声（伏特）。这些属性用于以略有不同的方式定义分辨率。

考虑到 ADC 相对于满量程输入的噪声，有效分辨率只是可用的 ADC 分辨率。有效分辨率通常用作定性品质因数来指示 DC RMS（均方根）噪声的影响，即与平均值相差一个标准偏差的 ADC 读数。例如，如果您从 12 位 ADC 获取 100 个读数，并计算 100 个读数的标准偏差为 2 位，则 ADC 的有效分辨率为 10 位。

ENOB 类似于有效分辨率，但它是 AC RMS 噪声（以比特为单位）的定性品质因数。

噪声是表示 ADC 有效分辨率的另一种方式，但它以伏特为单位进行量化。

在尝试根据参考输入的信号来比较 ADC 的性能时，噪声很有用，而在尝试了解 ADC 的噪声时，位很有用，因为它与 ADC 的满量程代码范围有关。例如，让我们比较一个 12 位有效分辨率的 ADC 和一个 10 位有效分辨率的 ADC。具有 12 位有效分辨率的 ADC 的满量程范围为 5 V，输入参考噪声为 (5V/2^12) = 1.2mV。具有 10 位有效分辨率的 ADC 的满量程范围为 1V，输入参考噪声为 (1V/2^10) = 0.98mV。12 位有效分辨率 ADC 具有更高的输入参考噪声，因此最佳 RMS 精度为 1.2mV，但它具有更宽的输入范围。10 位有效分辨率具有较低的输入参考噪声，但具有较小的输入范围。

哪个ADC更好？答案取决于您的应用需求。

精确

精度是测量被一致再现的能力，或者换句话说，是测量的可重复性。您的测量精度越高，您就越能辨别出细微的差异。高精度是好的。

准确性

准确度是测量与被测量的实际值相匹配的能力。尝试测量特定值时需要它。高精度非常好。

哪个更重要——精度还是准确度？

假设我买了一套箭，然后去射箭场使用三个系统来证明精度和准确性。

图 1 显示了系统 1，它是一个精确系统的示例。请注意，箭头是紧密分组的，这表明发射箭头的方法具有很高的可重复性。然而，它们并没有接近靶心的预定目标，这意味着发射器或箭头的性能不具备准确性。

图 2 显示了系统 2，这是一个精确、准确的系统示例。再次注意箭头是紧密分组的，这表明发射箭头的方法是非常可重复的。另请注意，它们在靶心上分组，这表明准确性很高。

图 3 显示了系统 3，这是一个既不精确也不准确的系统示例。没有紧密的箭头分组并且精度低。

精度和准确度哪个更重要？

要回答这个问题，让我们再看看这三个系统。

如果一个月后制造了一套新的箭并且我在射箭场使用它们会怎样？我希望系统 1 中的分组保持紧密，但由于新箭头与旧箭头不同，分组可能已移动到目标上的不同位置。我还希望系统 2 和系统 3 中的分组与以前保持一致。

如果第二天射箭场的温度、湿度或风改变方向会怎样？同样，我希望系统 1 中的分组保持紧密，但分组将移动到目标上的不同位置。此外，我希望系统 2 和系统 3 中的分组与以前保持一致。

如果我每天在不断变化的环境条件下发射一组新制造的箭，会发生什么？大约 30 天后，系统 2 的外观将与第一天相同，但系统 1 和系统 3 的外观将开始相同。随着时间的推移，一个没有精度的精密系统开始看起来像一个既没有精度也没有准确度的系统，因为精度会根据内部变化（制造）和外部变化（环境）而变化。

这就是文章开头示例中客户发生的情况。他们认为他们有准确性，但意识到他们没有。然后他们试图提高精度以进行补偿，但系统发生了变化，因此他们失去了精度和准确度，不得不重新设计他们的系统。

现在我们对分辨率、精度和准确度有了很好的理解，我们可以将这种理解应用到我们的 ADC 中。在第二部分中，我们将继续探索客户示例，以了解定义精度和准确度的 ADC 参数。这最终将使我们能够达到满足我们要求的系统精度。