一文彻底搞懂ADC精度问题
快速概述此问题
亲爱的工程师朋友，您是否遇到过这样的问题：精心设计的采集系统的ADC测量精度总是不达标？明明选择了高分辨率ADC，但实际测量结果还是不理想？
不用担心！本期我们将帮助您彻底了解精度问题，掌握软硬件结合的解决方案！
01两个关键概念
在提高准确度之前，先介绍两个容易混淆的词：
准确度与精度
准确度：测试值与理论值的偏差。偏差越大，准确度越低。
精度：各测试值之间的偏差。偏差越大，精度越低。
根据精度和精度可分为以下四种：
图1：四种偏差情况
准确度等级根据测试数据的平均值与理论值的偏差确定，精密度等级根据测试数据的标准差确定。
我们在使用ADC时经常遇到的是低精度、高精度。
电路板的功能越来越丰富，器件也越来越多，包括传感器（感知信号并将信号转换为电流或电压）、运放（信号的缓冲、滤波、放大、电流电压转换）、ADC（实现模数转换）、FPGA或MCU等数字芯片。设计每个设备都具有挑战性。
图2：电路板元件示意图
02错误从何而来？
即使PCB布局合理、供电稳定、ADC基准设计合理，实际测试值与理论值也会存在偏差。这些偏差是如何产生的？运放本身的偏置电压、运放偏置电流流过电阻产生的偏置电压、运放的失调电流、电阻的精度、ADC的失调误差、ADC的增益误差等，都会导致ADC转换结果与实际传感器输出值发生偏差。
这些误差根据其产生的原因可以粗略地分为：失调误差、增益误差、非线性误差和噪声误差。
图3：错误来源
偏移误差：反映理论过零点与实际过零点之间的偏差，可分为正偏移误差和负偏移误差。正偏移误差：输出0到1（或1到2）跳变点处的输入电压小于理论跳变点电压。理论电压与实际跳跃电压之间的差异就是正偏移误差。负失调误差：输出0到1跳变点处的输入电压大于理论跳变点电压。理论电压与实际跳跃电压之间的差异就是负偏移误差。
图4：偏移误差
增益误差：理想传递函数与实际传递函数的偏差。消除偏置误差的影响后，系统第一次使输出饱和时，实际输入与理论输入之间的偏差，或者实际输出与理论输出之间的偏差。
图5：增益误差
实际测试中，测试的满量程（FSR Full Scale Range）误差包含了失调误差，真正的增益误差Gain error需要去掉失调误差。
图6：实际测试中的错误
03实用校准方案
偏移误差和增益误差可采用两点法校准和分段法校准。如果线性良好，则选择两点校准。如果线性度较差，建议采用分级校准。以下是如何使用两点校准。
选择两个测试点：VIN1、VIN2
输入VIN1、VIN2时记录系统输出VOUT1、VOUT2
计算斜率：Slope_m=(VOUT2-VOUT1)/(VIN2-VIN1)，
计算偏移量：Offset_m=VOUT2-VIN2*Slope_m
校准值：Vin_cal=(VOUT - Offset_m )/Slope_m
图7：校准方法
04噪音错误如何处理？
在满足奈奎斯特采样率的前提下，可以通过平均等滤波算法牺牲采样率来改善噪声引起的误差，这是Sigma Delta ADC的核心原理。
图8：噪声过滤
上面描述了由失调误差和增益误差引起的系统误差，可以通过两点校准算法来实现。通过数字滤波算法减少噪声引起的误差（将在下一集ADC 迷你课程中进行解释）。
因此，我们在设计高精度采集系统时，必须将软件和硬件结合起来，即选择高性价比的芯片并优化软件以满足设计需求。
