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影响STM32的ADC精度因素
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更新于2023-05-21
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影响STM32内ADC精度的内外部因素。了解ADC的工作原理,和误差产生的原因。解释ADC的设计和外部ADC参数及如何使这些误差最小化的软硬件方法。
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2018年5月 DocID15067 Rev 1 [English Rev 3] 1/49
1
AN2834
应用笔记
如何在STM32微控制器中
获得最佳ADC精度
前言
STM32微控制器内置最多四个高级12位ADC(取决于器件)。提供自校准功能,用于提高环
境条件变化时的ADC精度。
在涉及模数转换的应用中,ADC精度会影响整体的系统质量和效率。为了提高此精度,必须
了解与ADC相关的误差以及影响它们的参数。
ADC精度不仅取决于ADC性能和功能,还取决于ADC周围的整体应用设计。
此应用笔记旨在帮助用户了解ADC误差,并解释如何提高ADC精度。它分为三个主要部分:
• ADC内部结构的简述,帮助用户了解ADC操作和相关的ADC参数
• 解释与ADC设计和外部ADC参数(例如外部硬件设计)有关的ADC误差的不同类型和来源
• 关于如何使这些误差最小化的建议,侧重于硬件和软件方法
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目录 AN2834
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目录
1 ADC内部原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1 SAR ADC内部结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 ADC误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 ADC自身导致的误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 偏移误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 增益误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 微分线性误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.4 积分线性误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.5 总未调整误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 ADC环境导致的误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 参考电压噪声 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 参考电压/电源调节 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 外部参考电压参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.4 模拟输入信号噪声 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5 最大输入信号幅度的ADC动态范围匹配不佳 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.6 模拟信号源电阻的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.7 PCB源电容和寄生电容的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.8 注入电流的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.9 温度影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.10 I/O引脚串扰 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.11 EMI产生的噪声 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 如何得到最佳ADC精度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1 减少ADC相关ADC误差的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 将与ADC外部环境相关的ADC误差最小化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 参考电压/电源噪声最小化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 参考电压/电源调节 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.3 模拟输入信号噪声消除 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.4 添加白噪声或三角波扫描来改善分辨率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.5 将ADC动态范围与最大信号幅度进行匹配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.6 模拟源电阻计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.7 源频率条件 vs. 源和寄生电容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.8 温度影响补偿 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
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AN2834 目录
3
3.2.9 注入电流最小化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.10 I/O引脚串扰最小化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.11 减少EMI所致噪声 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.12 PCB布局建议 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.13 元件放置和路由 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 提高精度的软件方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 采样平均 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 数字信号滤波 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.3 AC测量的FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.4 ADC校准 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.5 内部CPU噪声最小化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 高阻抗源测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1 ADC输入级问题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.2 行为说明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.3 额外误差最小化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.4 所述问题的来源 - ADC设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 版本历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
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表格索引 AN2834
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表格索引
表1. 文档版本历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
表2. 中文文档版本历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
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DocID15067 Rev 1 [English Rev 3] 5/49
AN2834 图片索引
5
图片索引
图1. SAR切换电容ADC的基本原理(10位ADC示例). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
图2. 采样状态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
图3. 保持状态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
图4. 第1步:与VREF/2比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
图5. 第2步:如果MSB = 0,则与¼VREF进行比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
图6. 第2步:如果MSB = 1,则与¾VREF进行比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
图7. 正偏移误差的表示方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
图8. 负偏移误差的表示方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
图9. 正增益误差的表示方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
图10. 负增益误差的表示方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
图11. 微分线性误差的表示方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
图12. 积分线性误差的表示方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
图13. 总未调整误差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
图14. 输入信号幅度与ADC动态范围. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
图15. 模拟信号源电阻的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
图16. 具有R
AIN
、C
AIN
和C
p
的模拟输入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
图17. 注入电流的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
图18. I/O引脚之间的串扰 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
图19. EMI源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
图20. 100/144引脚封装的电源和参考去耦 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
图21. 36/48/64引脚封装的电源去耦 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
图22. 使用微控制器输出的简单准三角波源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
图23. 选择参考电压 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
图24. 前置放大 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
图25. 最坏情况误差:V
AIN
= V
REF+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
图26. R
AIN
和C
AIN
推荐值 vs. 源频率F
AIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
图27. I/O引脚之间的串扰 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
图28. 屏蔽技巧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
图29. 将模拟和数字布局分开 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
图30. 将模拟和数字电源分开 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
图31. ADC输入的典型电压源连接 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
图32. ADC转换期间在ADC输入引脚上观测到噪声. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
图33. 输入级的ADC简化示意图 - 采样和保持电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
图34. 采样过程中来自内部电荷的ADC输入引脚噪声尖峰 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
图35. 采样时间延长效应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
图36. 外部电容在两次转换之间的充电时间过短 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
图37. 采样开关的实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
图38. 采样开关的寄生电容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
图39. ADC结构内部寄生电流示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
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