产生ADC误差的外部原因有哪些？

01

前言

上篇文章中介绍了ADC自身转换产生的误差，本篇文章来介绍下外部原因导致的ADC误差。

02

 ADC环境导致的误差

参考电压噪声

由于ADC输出为模拟信号电压与参考电压之比，因此模拟参考上的任何噪声都会导致转换后 数字值的变化。在某些封装中，VDDA模拟电源被用作参考电压（VREF+），因此VDDA电源的质量会影响ADC误差。

 

例如，当模拟参考为3.3 V（VREF+ = VDDA）且信号输入为1 V时，转换后的结果为： 

（1/3.3）× 4095 = 0x4D9 

但是，当模拟参考中的峰间波动为40 mV时，转换值变为：（1/3.34）× 4095 = 0x4CA（VREF+在其峰值处）。 

 误差 = 0x4D9 – 0x4CA = 15 LSB 

SMPS（开关模式电源）通常内置快速切换功率晶体管。这会在输出中产生高频噪声。此切换噪声介于15 kHz至1 MHz之间。

参考电压/电源调节

电源调节对于ADC精度十分重要，因为转换结果是模拟输入电压与VREF+值之比。当连接到VDDA或VREF+时，如果这些输入上的负载及其输出阻抗导致电源输出下降，将在转换结果中产生误差。

其中N是ADC分辨率（在本例中，N = 12）。如果参考电压变化，数字结果也将发生变化。

例如： 如果所用电源的参考电压为3.3 V且VAIN = 1 V，则数字输出为：

如果电源提供的电压等于3.292 V（在其输出连接到VREF+后），则：

压降产生的误差为：0x4DC – 0x4D9 = 3 LSB。

外部参考电压参数

当使用外部参考电压源（VREF+引脚上）时，该外部参考源有一些重要参数。必须考虑三个 参考电压规格：温度漂移、电压噪声和长期稳定性。

模拟输入信号噪声

在采样时间内，小而高频率的信号变化可导致较大转换误差。此噪声由电气设备（例如电 机、发动机点火、电源线）生成。它增加了不需要的信号，因此会影响源信号（例如传感 器）。这样一来，导致ADC转换结果不准确。

最大输入信号幅度的ADC动态范围匹配不佳

为获得最高ADC转换精度，ADC动态范围必须与待转换信号的最大幅度相匹配。我们假设待转换信号在0 V与2.5 V之间变化，并且VREF+等于3.3 V。ADC转换的最大信号值为3102 （2.5 V），如下图所示。在本例中，有993个未使用转换（4095 – 3102 = 993）。这意味着转换后信号精度下降。

模拟信号源电阻的影响

在源和引脚之间的模拟信号源的阻抗或串联电阻（RAIN），可能会因为流入引脚的电流而导致其上的电压降。通过电阻为RADC的开关控制内部采样电容（CADC）的充电。添加了源电阻（RADC）后，保持电容充满电所需的时间延长。下图所示为模拟信号源电阻的影响

CADC的有效充电受RADC+RAIN控制，因此，充电时间常量为tc =（RADC+RAIN）× CADC。如果采样时间短于通过RADC + RAIN将CADC充满电所需的时间（ts < tc），则ADC转换的数字值小于实际值。

PCB源电容和寄生电容的影响

在转换模拟信号时，必须考虑源电容和模拟输入引脚上的寄生电容。源电阻和电容构成RC网络。此外，ADC转换结果可能不准确，除非将外部电容（CAIN + Cp）完全充满至输入电压值。（CAIN + Cp）值越大，源频率越有限。外部源电容和寄生电容分别用CAIN和Cp表示。

注入电流的影响

任何模拟引脚（或紧邻的数字输入引脚）上的负注入电流都可能在ADC输入中产生泄漏电流。最坏情况是相邻模拟通道。当VAIN < VSS时，产生负注入电流，导致电流从I/O引脚流出。

温度影响

温度对ADC精度有重要影响。它主要产生两种重要误差：偏移误差漂移和增益误差漂移。这些误差可以在微控制器固件中得到补偿。

I/O引脚串扰

由于I/O之间的电容耦合，切换I/O可能会在ADC的模拟输入中产生一些噪声。彼此距离很近或交叉的PCB走线可能会产生串扰。 

内部切换数字信号和I/O会产生高频噪声。由于电流浪涌，切换高灌电流I/O可能导致电源 电压小幅下降。PCB上与模拟输入走线交叉的数字走线可能影响模拟信号。

EMI产生的噪声

邻近电路产生的电磁辐射可能在模拟信号中产生高频噪声，此时PCB走线相当于天线。

/ The End /

文档来源：how-to-get-the-best-adc-accuracy-in-stm32-microcontrollers-stmicroelectronics.pdf

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