ADC的各种指标如何理解，如何提高ADC转换精度

在此我们简要总结一下ADC的各种指标如何理解，以及从硬件到软件都有哪些可以采用的手段来提高ADC的转换精度。

1．ADC指标

除了分辨率，速度，输入范围这些基本指标外，衡量一个ADC好坏通常会用到以下这些指标：失调误差，增益误差，微分非线性，积分非线性，信噪比，信纳比，有效位数，总谐波失真。让我们以下图为例来看一下这些指标的意义。

LSB

参数中经常用LSB作为单位，比如说差分非线性为2 LSB。这究竟是多大一个值呢？为了简单起见，我们以一个3bit分辨率，满量程为5V的ADC为例。1个LSB对应的电压大小为5V／7＝714mV。如果是8bit分辨率，那么1个LSB对应5／255＝19mV。

图中横轴为输入电压Vin增长方向，纵轴为数字输出。理想情况下输入电压每增长1LSB（714mV），那么输出会向上跳变一次，对应虚线L1所在转换曲线。但实际电路往往会引入偏差，转换曲线往往如 L2 所对应曲线。

失调误差（Offset Error）

电压从0开始增大时，引起输出第一次跳变的电压值，与理论上应该引起第一次跳变的电压值（0．5 LSB）的差值。衡量小电压时的转换精度。如图中，理论上应该在0．5 LSB处跳变，实际电压增大到1 LSB时才跳变，所以Offset Error是 1–0．5 ＝ 0．5 LSB。

增益误差（Offset Error）

可以理解为实际转换曲线偏离理想曲线的程度。用最接近满量程时跳变点电压值和理论跳变点电压值的差表示。

差分非线性 DNL（Differential Non－Linearity）

理论上每增加或减少1 LSB 的电压，都会引起输出对应的一次跳变。但实际情况可能如图中a，b处所示，电压的步距大于或小于1个LSB的理论步距。

a 处 DNL ＝ 1．5 – 1 ＝ 0．5 LSB；

b 处 DNL ＝ 0．5 – 1 ＝ －0．5 LSB；

积分非线性 INL（Integral Non Linearity）

差分非线性累积起来造成的对实际转换曲线的最大偏离就是INL。如图中所示，需要注意的是INL不能表征对理想转换曲线的偏离程度。

总不可调整误差 TUE（Total Unadjusted Error）

实际转换曲线与理想转换曲线之间最大的偏离。在最糟糕的一点，我们通过ADC得到的电压，与实际电压的差值。通俗讲就是最不准的一点差多少。

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

对，还真不一定。即使线性度非常好，如果增益误差大，还是会导致最终结果大的偏差。

信噪比 SNR（Signal－to－Noise Ratio）

有用信号与噪声的能量比。我们总是期望信噪比越大越好。对于一个 N－Bit 分辨率的ADC来说，如果输入是一个满量程的正弦信号，在只考虑量化噪声的情况下，可以推导出一个有用的公式：

SNR ＝ 6．02N ＋ 1．76dB

推导过程见参考文档ADI： MT－001

此公式直观的表明了ADC分辨率和信噪比之间的量化关系。

信纳比 SINAD （Signal－to－Noise－and－Distortion Ratio）

实际ADC是无法达到理想状态的，它的输出除了会引入噪声，还会引入输入信号的谐波。SINAD是有用信号能量，与谐波（Distortion）加噪声（Noise）能量的比，它更能体现现实世界中的ADC性能。

SINAD ＝ 20log（S／（N＋D））

＊而SNR ＝ 20log（S／N）

有效位数 ENOB（Effective Number of Bits）

体现ADC实际性能相当于多少位。可以从SINAD推出：

ENOB ＝ （SINAD–1．76）／6．02

＊和理想情况下的位数对应：NOB ＝（SNR － 1．76）／6．02。

总谐波失真 THD（Total Harmonic Distortion）

有用信号能量与谐波能量的比。

THD ＝ 20log（S／D）

2．如何提高转换精度

模拟电源（VDDA）和电压参考（VREF）

有的单片机ADC模块会引出单独的电源引脚和电压参考引脚，最好用LDO给这些引脚供电，或者用磁珠和滤波电容把这部分电源从数字部分隔离出来。

输入信号的输出阻抗

下图是ADC采样简化等效电路。ADC采样和保持电路的等效输入电阻电容Radc，和Cadc，手册中都会给出。在采样期间，开关SW会接通外部的信号输入电路，给采样电容Cadc充电至和输入信号相等（接近），之后SW断开，ADC对采样电容上的电压进行转换。如果采样时间过短，或者输入信号的输出阻抗过大，将导致采样电压不准。在信号源输出阻抗过高时，可以考虑增加一级运放。

高频串扰

如果与模拟输入引脚靠近的IO上有高频翻转的信号，或者PCB上有与输入信号长距离的平行走线，串扰将干扰输入信号。应避免ADC引脚临近信号高频翻转。在ADC输入布线和临近的走线之间用地线隔离开也可以避免ADC精度下降。

Wait，Stop模式

如果ADC在Wait和Stop模式下还可以工作，在此种模式下可以最大限度的降低MCU电源的波动，提高ADC的转换精度。

过采样（Oversampling）

如果采样频率为fs，那么对于fs／2以内的信号频率既可以获得完整信息。过采样是用远高于所需的采样频率去采样，这样噪声就会均摊在整个采样频带内。我们用数字滤波器可以滤除有用信号频带之外的噪声，从而使频带内的信噪比提高，获得更高的分辨率。对多次转换结果进行平均也可以提高结果的精度。

芯片内部校正

很多单片机内部都有校正机制（Calibration），每次上电后执行一次Calibration，可以以提高ADC的精度。

温度的影响

ADC受温度影响比较大，特别是失调误差和增益误差。如果芯片工作温度范围很宽，可以在不同的温度下预先测量，按温度做出查找表以在实际工作时做校正。

混入白噪声

这种方法对提高直流信号的分辨率很有用。如果输入信号接近直流而且很稳定，那么输出就不会产生跳变，比如输出一直是0x15A，我们无法确认输入电平是更接近0x159，还是更接近0x15B。那么我们可以人为地把白噪声混入信号，使信号产生小的波动从而输出产生跳变，然后再通过数学平均得出一个精度更高的数值。实际操作中可以用GPIO产生一个方波然后通过阻容耦合进输入信号引脚。

审核编辑：符乾江