STM32 ADC

一.引入

在学习ADC之前首先我们要知道什么是ADC，ADC有什么用？

引用百度上的一句话，我们处在数字时代，但是我们的视觉，听觉，感觉，嗅觉，等感知的却是一个模拟时代，如何将两者联系起来就需要模拟数字转换器（ADC），和数字模拟转换器（DAC）显身手的时候了。

说的很玄乎，简单理解就是通过我们的设备将摸不到的温度，显示成37摄氏度，然后你就知道该穿什么衣服了。

而在我们嵌入式的应用中呢，任何一个信号系统，都需要我们的传感器探测电压，电流，温度，压力，等信号，然后通过放大电路放大，在通过ADC转化为数字信号，有了数字信号，就可以通过单片机等MCU进行处理，得到我们想要的数据。

如果我们想使用ADC,有像stm32这种的mcu自己内部集成了ADC，也可以选用外部的ADC通过IIC，串口等方式与MCU进行对接，不管哪种方式，ADC的原理和实现是一样的。

针对不同的应用场景我们选取的时候肯定要根据自己的需求来，成本，精度，速度等很多方面来选取ADC。比如我们想采集一个不需要很准确的信号的时候就可以选用MCU内部的10位的ADC，向我们医疗设备要求精度高，采样快，我们可以选用一些外部牛逼的ADC。

一说到ADC，都会问是10位的，12位的还是16位的，那么这又是什么意思呢？？

10位就是10位2进制的意思0-1023

12位就是12位2进制的意思0-4095

16位就是16位2进制的意思0-65534

说的也就是ADC的分辨率。

比如说我们想采集一个3.3v的电压值，3.3v分成1024份表示和分成65535份表示，

那当然65535表示的精度更高。

这里我们老是说多少“份”，好low偶，ADC里叫LSB，也就是1023 LSB。记住了偶。

 

二.如何选择ADC

当然我们在选择ADC的时候除了要知道他的分辨率，参考电压，还有速度之外。还要知道一些ADC的性能指标。这些性能指标会影响你的采集精度，虽然你可以说后期通过各种牛逼算法校准过来，但这些属于你的基础，你非得选个1.5米的小个子去扣篮，你鞋再牛逼也不太可能啊。

就好像我们在选择手机拍照的时候，总是喜欢对比摄像头多少万像素，但是有时你会发现

苹果800万像素有时比你2000万像素的山寨机拍照效果还好。（要考虑综合参数）

 

下面是一个stm32 ADC部分的datasheet

 

1.总未调整误差（ET）：实际转换曲线与理想转换曲线最大差别

 

2.偏移误差（EO）：实际转换-理想转换

 

3.增益误差(EG)：最后一次转换-理想转换

 

4.微分线性误差(ED)：实际步长和理想步长的最大差别。

 

5.积分线性误差(EL)：实际转换点与终点连线的最大差别。

 

上面是ADC的一些内部特性，里面的误差由厂家来把控，不用我们操心，你家说在这个范围，肯定是在这个范围，只要确定这个范围值满足不满足你的项目。

但是选型完毕，你就万事大吉了？打好了地基，并不说明你盖好了高楼。

 

三.外部的ADC误差来源：

1.电源噪声

通常参考电压 = 电源电压 = 3.3VDC （PS：也有5v等等）

当电源噪声叠加到电源电压上，引起测量误差。

           电源电压：   3.3VDC

           输入信号：   1.0VDC

           电源噪声：   0.04VDC

  误差：   1 / (3.34-3.26)*4096      (12位AD)

 

2.输入噪声

当输入噪声叠加到电源电压上，引起测量误差。

          电源电压：3.3VDC

          输入信号：1.0VDC

          输入信号噪声：0.04VDC

 误差： (1.04-0.96) / (3.3)*4096      (12位AD)

 

3.信号源阻抗的影响

源阻抗RAIN和芯片内部电阻RADC，影响充电时间，

从而影响测量结果，Tc =（RAIN+RADC）*CADC。

 

4.信号外部电容和PCb分布电容影响

外部电容CAIN和分布电容CP，影响充电时间、频

率，从而导致测量误差。

 

上面基本上误差的引入分析完了，当然只是说的一些大碴子，肯定还有很多其他的小误差，这里不说了。

 

四.如何来减小误差

1. 通过降低电源的噪声提高采样准确性

电源和地线之间增加0.1uF和1-10uF钽电容。

 

2.通过降低输入信号的噪声

  增加外部滤波器，如RC低通滤波，带通、高通滤波等，保证需要频率信号有效，阻断或限制不需要的噪声。

  通过信号的多次采样，通过软件平均的方法，可有效消除不频繁变化模拟信号上的噪声。

 

3.调整ADC采集的动态范围

 充分利用AD可测量的范围，提高参考电压和采用前置放大器。

 

4.选取合适的源阻抗

  假设最大允许误差1/2LSB,也就是VAIN-VC=1/2LSB，VC为内部实际电压，VAIN为输入电压。

  已VAIN=VREF输入时，ts为采样时间，计算最大源阻抗。

Rmax=（RAIN  +  RADC）max

N为ADC分辨率

Rmax=ts  /  (CADC  *  ln(2^(N+1)))

 

最终计算公式：

 

例：

fADC=14MHz，CADC=8pF，RADCmax=1kΩ，当采样Ts=7.5秒时，误差1/2LSB时的RAINmax是多少

 

5.合理布线减小数字信号（I/O引脚）对模拟信号的影响

 

信号线用地线隔离

 

6.减小EMI(电磁干扰)

 采用屏蔽线将远距离信号连接到PCB，屏蔽层在信号接收端接地。如下图

 

7.合理PCB 布局，采用数字模拟分开布局方式

8.合理PCB布局，采用独立电源给模拟和数字供电，星型网络连接模拟，数字地

 

9.高输入阻抗源信号采样减小采样误差的方法

 

   当S1开关闭合时，Csh上电压会施加到输入管脚上，当采样结束S2断开时，Csh上电压不能有效释放，导致测量电压不准，通过添加Cext减小，使得采用完成后，Csh上电压得到有效释放如1/2LSB。

 

当我们把前期工作做好之后，再通过牛逼的算法加持（平滑等），一定能够获得满足要求的精度。