單片機(jī)10位ADC是否夠用？
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2024-04-28 08:00
一、前言
??現(xiàn)在的單片機(jī)內(nèi)部帶有的AD轉(zhuǎn)換器大多在10到12位。一般應(yīng)用中，AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)對(duì)于測(cè)量誤差究竟有多大的影響，12位的ADC是否夠用呢？?下面通過(guò)實(shí)際測(cè)量，來(lái)討論AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)對(duì)測(cè)量誤差的影響。
二、電路設(shè)計(jì)
??設(shè)計(jì)測(cè)試電路，使用 F030單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試。輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波之后，發(fā)送到 ADC的第0通道。使用兩個(gè)電阻將模擬地和電源分開(kāi)。電路板上還設(shè)置了 3.3V的穩(wěn)壓芯片。設(shè)計(jì)電路PCB，使其能夠適應(yīng)一分鐘制板方法。
AD\Test\2024\April\TestADCBit.PcbDoc
▲ 圖1.2.1 測(cè)試電路原理圖720
▲ 圖1.2.2 測(cè)試電路PCB
??一分鐘之后，得到制作的測(cè)試電路板。電路制作的非常完美。下面進(jìn)行焊接測(cè)試。
三、測(cè)量結(jié)果
??焊接電路板，對(duì)它進(jìn)行清洗之后進(jìn)行測(cè)量。利用探針夾子下載測(cè)試程序。下載測(cè)試程序，通過(guò) ST-LINK中的串口完成測(cè)量數(shù)據(jù)上傳給微機(jī)。利用Python 編程，使用 DH1766提供從 0.1到3.2V的電壓，實(shí)際電壓值通過(guò)DM3068測(cè)量? 單片機(jī)對(duì)采集到的512個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。在平均之前 分別取前面 1 到 12bit，這樣便可以得到不同分辨率下ADC采樣的數(shù)值了。
??在測(cè)量電壓范圍內(nèi)總共采集了 2000 個(gè)數(shù)據(jù)，繪制出電壓與ADC之間的關(guān)系?？梢钥吹剑?ADC采樣位數(shù)比較小的時(shí)候，由于量化所造成的誤差比較大。雖然這是512個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，數(shù)據(jù)的誤差主要來(lái)自于AD量化造成的。但是，隨著位數(shù)的增加，也可以看到數(shù)據(jù)的中存在著噪聲引起的波動(dòng)。此時(shí)，噪聲引起的誤差超過(guò)了轉(zhuǎn)換位數(shù)的帶來(lái)的誤差。
▲ 圖1.3.1 不同位數(shù)對(duì)應(yīng)的采集數(shù)據(jù)
??通過(guò)對(duì) 單片機(jī)AD數(shù)據(jù)與電壓之間進(jìn)行線性擬合，計(jì)算擬合電壓與實(shí)際電壓之間誤差的方差，可以看到，在AD轉(zhuǎn)換位數(shù)從 1 到12為變化過(guò)程中，方差急劇下降。但是下降的速度越來(lái)越慢，當(dāng)位數(shù)超過(guò)10位之后，基本上誤差不變了。這是對(duì)方差取對(duì)數(shù)之后繪制的數(shù)據(jù)線。更加清晰的看到，當(dāng) AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)超過(guò)10之后，所得到的數(shù)據(jù)誤差主要來(lái)自于電路的噪聲了。因此，對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換來(lái)講，再高的ADC位數(shù)也沒(méi)有用了。
▲ 圖1.3.2 不同的ADC的位數(shù)對(duì)應(yīng)的線性擬合誤差
| Bits | Var |
|---|---|
| 1 | 0.2016750843417479 |
| 2 | 0.05153571814548405 |
| 3 | 0.01352796032514819 |
| 4 | 0.003468020713918683 |
| 5 | 0.0008517649509084311 |
| 6 | 0.00020580205442651296 |
| 7 | 5.001551736517359e-05 |
| 8 | 1.3009367147500475e-05 |
| 9 | 5.263557870607768e-06 |
| 10 | 4.309030498367149e-06 |
| 11 | 4.297694583457816e-06 |
| 12 | 4.314972044296696e-06 |
▲ 圖1.3.3 位數(shù)與誤差對(duì)數(shù)
※ 總??結(jié) ※
??本文對(duì)于單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)精度的影響進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換位數(shù)少于10位的時(shí)候，數(shù)據(jù)誤差隨著位數(shù)的增加指數(shù)下降，當(dāng)位數(shù)超過(guò)10位置后，在普通單面制板的情況下，電路中的噪聲所產(chǎn)生的誤差，已經(jīng)占據(jù)主要成分。實(shí)際上ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)對(duì)測(cè)量誤差的降低已經(jīng)沒(méi)有了作用。