MCU内置ADC的转换精度提高方法

单片机内置ADC实现高分辨率采样一、单片机内置ADC的工作原理1.采样：ADC会周期性地对输入信号进行采样，将模拟信号逐个样本点转换为数字信号。

2.输入保护：为了保护ADC输入端，通常会使用放大器及滤波电路对输入信号进行放大、滤波和防干扰处理。

3.模数转换：采样完成后，ADC会将模拟信号转换为对应的数字信号。

这个过程主要涉及到采样保持电路、比较器和计数器等模块。

其中，采样保持电路用于在采样期间保持输入信号的电压稳定，比较器用于将采样结果与参考电压进行比较，而计数器则用于计算比较器输出的脉冲数量，以获得数字化的采样结果。

4.数据输出：通过内部总线或外部接口，ADC将数字化的采样结果传输到单片机内部的RAM中，供后续处理和存储使用。

二、单片机内置ADC的优势相比外部ADC模块，单片机内置ADC具有以下优势：1.方便简化：内置ADC模块使得硬件设计变得简单，节约了外部ADC的布局空间和元器件成本。

2.高集成度：单片机内置ADC与其他模块集成在一起，可以在单个芯片上实现多种功能。

3.低功耗：内置ADC通常能够实现低功耗采样，以适应电池供电和移动设备的需求。

4.快速响应：内置ADC与单片机紧密集成，信号传输速度快，采样响应时间短。

三、实现高分辨率采样的方法为了实现高分辨率的采样，可以采用以下方法：1.提高ADC的位数：ADC的位数决定了其分辨率。

通常，单片机内置ADC的位数由芯片厂商决定，一般为8位、10位、12位或16位。

选用更高位数的ADC模块能够提高信号采样的分辨率。

2.降低采样频率：采样频率和分辨率成反比关系，在保证信号质量的前提下，适当降低采样频率可以提高单次采样的位数。

3.信号处理算法：通过在软件中对采样值进行处理和计算，可以提高分辨率。

例如，可以使用滑动平均、中值滤波或其他数字滤波算法，对采样值进行平滑处理。

4.外部参考电压：使用较高精度和稳定的外部参考电压源，可以提高ADC的转换精度。

5.噪声抑制：通过合理的地线和电源设计、合理阻抗匹配和滤波电路等手段，减少外界干扰和噪声对ADC的影响。

分析如何提高单片机的模数转换精度
引言
单片机应用于工业控制等方面时，经常要将电流、电压、温度、位移、
转速等模拟量转换成数字量，然后在单片机内作进一步运算和处理，完成相应
的数据存储、数据传输和数据输出，达到分析和控制的目的。

随着大规模集成
电路的不断发展，很多单片机都有内置A／D 模块，因此，单片机的A／D 转
换可以用内置A／D 模块也可以用外置A／D 电路完成，现谈谈单片机A／D
转换的工作原理及优缺点，并分析提高A／D 转换精度的方法。

1 A／D 转换的工作原理及优缺点
(1)单片机片内A／D 转换
单片机片内A／D 转换是利用单片机的内置A／D 模块，通过选择不同
的模拟量通道进行A／D 转换。

可以将模拟量直接输入到单片机对应的输入脚，外围电路简单。

转换后的数据直接保存在片内寄存器中，数据提取方便。

但大
多数单片机的内置A／D 模块只有8 位和10 位，无法进行高精度的A／D 转换，原理如图1 所示。

(2)单片机片外A／D 转换
单片机外置A／D 转换是单片机通过一定的逻辑电路控制外置A／D 转
换电路进行A／D 转换，外围电路相对复杂。

单片机将转换结果通过一定的时
序读取到单片机中，按要求通过选择A／D 转换电路，可以实现高精度的
A／D 转换(可以达到14 位、16 位、22 位甚至更高)，原理如图2 所示。

2 提高A／D 转换精度的方法。

单片机中的ADC转换原理及精度分析近年来，单片机技术的发展使得它们在各个领域中被广泛应用。

在许多应用中，模拟信号需要被转换成数字信号才能被单片机处理。

这就需要使用模数转换器（ADC）。

本文将介绍单片机中ADC转换的原理以及精度分析。

第一部分：ADC的原理ADC（Analog-to-Digital Converter）是一种将模拟信号转换为数字信号的电路。

在单片机中，ADC的主要任务是将模拟信号采样后转换为数字信号，以便单片机进行数字处理。

ADC转换的基本原理包括采样和量化两个过程。

1. 采样过程：采样过程是将模拟信号在一定时间内进行离散化的过程。

单片机中的ADC通常采用采样保持电路来实现。

该电路可以在一定时间内将模拟信号的值固定住，然后通过转换电路将其转换成数字信号。

采样速率是指每秒钟采样的次数，采样速率越高，能保留更多模拟信号的信息。

2. 量化过程：量化过程是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。

单片机中的ADC通常采用逐次逼近（SAR）ADC或逐段逼近（Sigma-Delta）ADC来实现。

逐次逼近ADC通过逐位比较来逼近模拟信号的大小，逐段逼近ADC则将模拟信号分成多个区间进行量化。

第二部分：ADC的精度ADC的精度是指其输出与输入之间的误差。

精度通常用位数（bits）表示，即ADC的分辨率。

分辨率越高，ADC能够区分的模拟信号范围越小，精度越高。

1. 分辨率：分辨率是ADC能够分辨的最小电压变化。

在一个n位的ADC中，分辨率可以通过电压范围除以2的n次方得到。

例如，一个10位ADC的电压范围是0-5V，其分辨率为5V/2^10 ≈ 4.88mV。

这意味着ADC可以分辨出离散电压变化大于约4.88mV的信号。

2. 误差：ADC的输出与输入之间存在一定的误差。

误差通常包括无线性误差、增益误差和偏移误差。

无线性误差是指ADC输出值与输入信号之间的非线性关系；增益误差是指ADC输出值与输入信号之间的放大倍数误差；偏移误差是指ADC输出值与输入信号之间的偏移量误差。

单片机ADC模数转换原理及精度提升策略概述：单片机中的ADC（Analog to Digital Converter）电路是将模拟信号转换为数字信号的重要组成部分。

ADC模数转换原理是基于采样和量化的原理实现的。

本文将介绍单片机ADC模数转换的原理，并探讨提高转换精度的策略。

1. ADC模数转换原理：ADC模数转换原理分为三个步骤：采样、量化和编码。

首先，采样器将输入的模拟信号按照一定频率进行采样，得到一系列离散的采样值。

然后，量化器将采样值按照一定的精度进行量化，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。

最后，编码器将量化后的数字信号编码为二进制码，以便单片机进行处理。

2. 提高ADC转换精度的策略：（1）增加采样频率：采样频率越高，获得的采样值越多，可以更准确地还原原始的模拟信号。

因此，可以通过提高ADC的采样频率来提高转换精度。

（2）优化参考电压：ADC的转换精度受到参考电压的影响。

参考电压应为稳定、精确的电压源，以确保ADC转换的准确性。

可以通过使用参考电压源或外部参考电压电路来提高转换精度。

（3）降低噪声：噪声会影响ADC的转换精度。

噪声可以来自电源、引脚等，因此需要采取措施来降低噪声水平。

例如，使用滤波电路和屏蔽措施来降低噪声对ADC转换的干扰。

（4）校准和校正：由于元件参数的不均匀性和时间漂移等原因，ADC的转换精度可能会发生偏差。

因此，需要进行校准和校正，以提高转换精度。

可以使用校准电路或软件校准的方法来进行校准。

（5）增加分辨率和位数：增加ADC的分辨率和位数可以提高转换精度。

分辨率是指ADC可以分辨的最小电压变化量，位数则代表了ADC转换结果的位数。

增加分辨率和位数可以获得更准确的转换结果。

（6）差分输入：使用差分输入可以减少共模噪声对ADC转换精度的影响。

差分输入可以通过采取差分双终端输入的方式来实现，将信号的差值作为转换信号输入。

3. 总结：单片机ADC模数转换原理是通过采样、量化和编码实现了模拟信号向数字信号的转换。

基于嵌入式单片机的模数转换精度提高技术及算法袁越阳;马小林;周超伦;刘炜;何超【摘要】运用嵌入式单片机的内置模数转换(ADC)进行模数转换时,为了提高其转换精度或分辩率,提出了通过多级切换ADC参考电压的方法,研究设计了实现模数转换分辨率成倍提高的处理电路,分析和推导了其实现过程和算法,理论上实现转换精度提高n倍,并以嵌入式单片机PIC18F45K80的内部模数转换模块为操作对象,以提高转换精度到4倍为预期目的.实验数据表明:不采用该精度提高技术的模数转换平均误差接近采用该技术的平均误差的4倍,即采用该技术所得转换精度提高达4倍,与预期一致.【期刊名称】《湖南城市学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(028)001【总页数】4页(P62-65)【关键词】嵌入式单片机;模数转换;转换精度【作者】袁越阳;马小林;周超伦;刘炜;何超【作者单位】湖南城市学院机械与电气工程学院,湖南益阳 413000;湖南城市学院机械与电气工程学院,湖南益阳 413000;湖南城市学院机械与电气工程学院,湖南益阳 413000;湖南明康中锦医疗科技发展有限公司,长沙 410001;湖南明康中锦医疗科技发展有限公司,长沙 410001【正文语种】中文【中图分类】TP391;TM938随着计算机技术和数字信息技术的发展，信号处理主要是针对不连续的数字信号，而在实际中所遇到的却大都是连续变化的模拟量，因而需要把模拟量转换成数字量﹒对于把模拟量转换成数字量，模数转换(ADC)是目前最广泛和最为关键的电子信号处理技术之一，是现实世界中模拟信号通向数字信号的桥梁﹒为了提高模数转换的精度(或分辨率)，通常是选用具有更多位(bit)的模数转换器﹒目前在进行模数转换时，最简单方便的方式之一是选用市面上具有内置的模数转换模块的嵌入式单片机﹒虽然嵌入式单片机内置模数转换模块的技术给了模数转换在实际应用中的很大方便，但它们所提供的模数转换的数据长度一般在8~16位之间﹒在信号输入范围大的情况下，这类模数转换便有可能不能满足数字信号处理时对最小输入信号的识别要求(即要求高分辨率或高精度)[1-2]﹒为了实现模数转换更高的分辨率和精度，设计者们往往会考虑成本更高、位数更多(分辨率更高)的其它器件来替代，在微电子设计制造技术方面不断地提出新的设计方法、技术和材料[3-6]等以满足市场的这种需求﹒在运用具有内置模数转换模块的嵌入式单片机来进行模数转换的过程中，为了提高分辨率或对微弱信号采样识别，目前比较常用的方法主要是采用过采样技术[7-9]来实现低于最小采样分辨率的微弱信号采样﹒该技术是通过多次对输入的采样信号叠加白噪声后，再模数转换输出，然后对输出取平均值﹒为提高基于嵌入式单片机的模数转换精度，本文则提出了通过切换其模数转换外部参考电压的方法，使得其m位的模数转换模块的分辨率从(Vref+－Vref-)/2m提高到(Vref+－Vref-)/(n×2m)﹒为实现高精度或高分辨率的模数转换，研究设计了如图1所示的硬件电路﹒图1工作原理描述如下：选用具有m位(bit)模数转换模块，且具有模数转换的外部参考电压输入(分别记为Vref+和Vref-)的嵌入式单片机，如Microchip公司的PIC16F87系列、PIC18F系列等嵌入式单片机；参考电压Vref+和Vref-的输入端口分别与电控多路选通器(如双4选1多路模拟选择开关CD4052)的公共引脚相连接；再通过多路选通器来选择不同组合的参考电压Vref+和Vref-；该电控多路选通器的通道数可由提高分辨率倍数的n值决定﹒为便于理解，可通过电阻R[0]、R[1]、R[2]、…、R[n-1]分压的方式输出不同等级的模数参考电压Vref+和Vref-，多路选通器采用旋转开关的形式来加以描述﹒在电控驱动作用下，从低到高，多路选通器每被驱动1步，则依次选通1组参考电压(即某电阻两端电压)Vref+和Vref-，且参考电压Vref+最大为VREFP，Vref-最小为VREFN，而输入端AIN输入将要进行转换的模拟信号VAI﹒基于图1所示的电路原理，当选定R[x]两端电压作为参考电压Vref+和Vref-时，模数转换计算如公式(1)所示，其中，当x=0，Vref[0]-=VREFN﹒在式(1)所确定的模数转换参考电压Vref[x]+和Vref[x]-条件下，信号VAI经模数转换输出AD[x]的结果如公式(2)所示﹒即式(2)中，当输入模拟信号VAI>Vref[x]+时，分子项为(Vref[x]+－Vref[x]-)；当输入模拟信号VAI<Vref[x]-时，分子项为0；当输入模拟信号Vref[x]-≤VAI≤Vref[x]+时，分子项为(VAI－Vref[x]-)﹒最后，在嵌入式单片机的控制下，完成通道从低到高所对应的每一组参考电压下的模数转换并得到结果后，再将结果累加输出为总模数转换结果AD，计算如公式(3)所示﹒取定R[0]=R[1]=…=R[n-1]，则AD计算结果如公式(4)所示﹒根据式(4)所表达的模数转换输出结果，其转换分辨率Q如公式(5)所示﹒可见，对于一个m位(bit)的模数转换器，采用本文所述方法进行模数转换所得的转换分辨率是正常所得的n倍﹒测试采用Microchip公司的PIC18F45K80嵌入式单片机，其引脚RD0和RD1作为输出口来选通多路模拟开关CD4052，CD4052的输入引脚X0~X3、Y0~Y3分别与其输出引脚X、Y内部连通﹒X、Y输出与X0~X3、Y0~Y3、A、B输入之间的关系可以用逻辑关系式(6)来表示﹒当引脚A和B均为低电平(即A=0、B=0)时，X和Y分别与X0和Y0连通﹒即X 和Y输出分别为X0和Y0﹒取R[0]~R[3]均为10 KΩ精密电阻，按比例对VCC(5 V DC)进行4级分压输出参考电压﹒旁路电容C[0]~C[1]均为0.1 uF，保证参考电压的稳定和减少干扰﹒实验电路如图2所示﹒当RD0、RD1输出为低电平时，即A=B=0，此时X与X0连通，Y与Y0连通，则Vref+和Vref-满足式(7)所给电压；当RD1输出为低电平，RD0输出为高电平时，即A=0、B=1，此时X与X1连通，Y与Y1连通，则Vref+和Vref-满足式(8)所给电压；当RD1输出为高电平，RD0输出为低电平时，即A=1、B=0，此时X与X2连通，Y与Y2连通，则Vref+和Vref-满足式(9)所给电压；当RD0和RD1输出均为高电平时，即A=B=1，此时X与X3连通，Y与Y3连通，则Vref+和Vref-满足式(10)所给电压﹒因此，该模数转换可分4步来完成，4次转换的结果累积为最后的转换输出结果，其具体操作流程如图3所示﹒不同模拟信号由AIN脚输入，经ADC转换输出AD值﹒首先对模数转换(ADC)有关寄存器进行初始化，然后使能ADC中断；当ADC中断程序发生时，再读取并暂存第1~3步的ADC结果，同时切换ADC参考电压，并适当延时(鉴于CD4052的开关选通延时不超过1 000 ns，故本实验采取延时2 us)，等待参考电压稳定；待第4步完成后，累积所有结果并输出﹒为了比较采用提高分辨率技术与未采用该技术(即设定Vref+=VDD，Vref-=0进行操作)的转换精度，同时给出了相同模拟输入下采用传统方法进行试验所得的结果﹒实验结果如表1所示﹒对表1中“换算成电压误差”的数值进行分析比较可知：采用分辨率提高方法进行模数转换的误差均小于采用传统模数转换的误差；综合实验过程中不可避免的系统误差，对其误差值求取平均值和，其计算如公式(11)所示，可知是的约3.93倍，与实验预期的提高AD转换精度达4倍趋于一致﹒本文提出了通过多路切换嵌入式单片机外部模数参考电压的方法及算法，理论实现了将m位ADC的转换精度提高至n倍﹒设计了基于嵌入式单片机的模数转换电路及应用程序，并进行了实验﹒结果显示，未采用提高方法的AD转换平均误差是采用该方法后所得AD转换平均误差的4倍左右，与预期转换精度提高到4倍相一致﹒通过基于嵌入式单片机PIC18F45K80的实际应用，验证了该技术的正确性和可行性﹒从算法推演过程可以看出，该方法的实现以牺牲采样时间为代价﹒如本文所得结果虽然提高了转换精度，但转换时间却花费了4倍(进行了4次采样转换)﹒另外，因被采集信号通常是动态变化的，采用本文的方法时，由于存在多次采样，所存在的时间差会影响对信号采样的一致性，所以还需避免转换期间信号变化不可忽略的情况，或避免嵌入式单片机的采样时间过长﹒目前，嵌入式单片机的运行速度已经快到纳秒级，其AD转换完成时间也可达到微秒级，这在一定程度上也支撑了本文所述的提高AD转换精度的方法﹒【相关文献】[1]SINGH J, DABEER O, MADHOW U. Communication limits with low precision Analog-to-Digital Conversion at the receiver[C]. IEEE International Conference on Communications, 2007: 6269-6274.[2]陈浩, 孙权, 张鸿, 等. 用于超低频信号测量的高精度低功耗增量式模数转换器[J]. 西安交通大学学报, 2017, 51(6): 79-85.[3]PARK J, NAGARAJ K, ASH M. Enhanced resolution successive- approximation register Analog-to-Digital Converter and method: US9252800[P]. [2016].[4]张章, 余文成, 解光军. 10 bit 100 MS/s混合型模数转换器[J]. 西安电子科技大学学报: 自然科学版, 2018, 45(3): 80-85, 116.[5]DEVARAJAN S, SINGER L, KELLY D, et al. A 12 b 10 GS/s interleaved pipeline ADC in 28 nm CMOS technology[C]. 2017 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2017, 52(12): 3204-3218.[6]LE-THAI H, CHAPINAL G, GEURTS T, et al. A 0.18 μm CMOS imag e sensor with phase-delay-counting and oversampling dual-slope integrating column ADCs achieving 1e-rms noise at 3.8 μs conversion time[C]. 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2018, 53(2): 515-526.[7]WEN J P, HADIASHAR A, KING E, et al. Analog to Digital Converters with oversampling: US20170250703 A1[P]. [2017].[8]武海军, 李斌, 张华斌, 等. 一款调制器和过采样率可配置的单芯片1.2V 55-95dB动态范围的Delta-Sigma模数转换器设计[J]. 半导体学报, 2014, 35(3): 1-6(035003).[9]赵君鑫, 孙树文. 基于过采样技术的高精度次声信号采集系统[J]. 中北大学学报: 自然科学版, 2014, 35(5): 605-609.。

单片机ADC技术原理及精度提升方法探讨摘要：本文首先介绍了单片机ADC技术的原理和基本概念，然后探讨了提高ADC精度的常用方法，包括增加参考电压精度、降低噪声干扰、使用运算放大器和滤波器等。

通过深入研究和分析这些方法，可以帮助工程师们更好地理解和应用单片机ADC技术，提升系统的测量精度。

1. 引言ADC（Analog-to-Digital Converter）是将模拟信号转换为数字信号的核心器件，广泛应用于通信、仪器仪表、工业自动化等领域。

单片机ADC技术在嵌入式系统中发挥着重要作用，因其集成度高、成本低、功耗小、易于编程等特点而备受工程师们的青睐。

2. 单片机ADC原理单片机ADC的基本原理是通过采样和量化过程将连续模拟信号转换为离散数字信号。

首先，外部模拟信号经过模拟开关传递给采样电容，然后经过采样保持电路固定时间后，再由电压比较器比较采样保持电压与参考电压的大小，进而产生一个数字输出。

通常情况下，单片机ADC的参考电压是一个固定值，其精度对于整个系统的准确度至关重要。

3. 单片机ADC精度的影响因素在实际应用中，单片机ADC的精度会受到多种因素的影响。

以下是几个常见的影响因素：3.1 参考电压的精度参考电压的精度直接影响着ADC转换结果的准确度。

如果参考电压精度较低，那么ADC的测量结果会存在较大的误差。

因此，为了提高ADC精度，可以选择高稳定性、高准确度的参考电压源。

3.2 噪声干扰噪声干扰是影响ADC转换精度的另一个主要因素。

噪声可以来自各种源，包括电源噪声、地线噪声、射频干扰等。

为了降低噪声干扰对ADC性能的影响，可以采取一系列措施，如提高电源滤波能力、合理布线、使用屏蔽罩等。

3.3 电源稳定性供电电源的稳定性对于ADC的精度有着重要影响。

当供电电压波动较大时，ADC的参考电压和转换结果都会受到影响，导致转换精度下降。

因此，应该尽量保证供电电源的稳定性，如使用稳压器或电池供电。

4. 提高ADC精度的方法为了提高单片机ADC的精度，工程师们可以采取以下几种常用方法：4.1 增加参考电压精度参考电压的精度直接影响ADC转换结果的准确度。

单片机中ADC接口的原理及其精度调节方法研究一、引言在单片机应用中，模拟信号的采集和处理是一项重要任务。

电压信号是常见的模拟信号之一，而模数转换器（ADC）则是将模拟信号转换为数字信号的关键部件。

本文将研究单片机中ADC接口的原理以及精度调节方法。

二、单片机中的ADC接口原理ADC（Analog-to-Digital Converter）即模数转换器，将连续变化的模拟信号转换成数字信号。

在单片机中，ADC接口负责对模拟信号进行采样和转换，然后传输给处理器进行处理。

1.采样采样是指获取模拟信号的离散样本。

单片机中的ADC在每次转换之前，需要对模拟信号进行采样。

采样的方式有多种，其中比较常见的有保持采样和逐次逼近采样。

- 保持采样：在保持阶段，将模拟信号的样本保持在一个电容中，并通过一个开关将其与ADC输入端相连。

然后，ADC通过激活采样保持电路，将电容中的电压记录并保持不变，作为采样值。

- 逐次逼近采样：逐次逼近采样是通过逼近法根据已知的数字比较结果逐步逼近输入的模拟电压。

在每一次逼近步骤中，ADC将一个时钟周期内的数字量与对应的模拟量进行比较，根据比较结果来调整逼近的方向，并最终得到一个相对精确的数字输出。

2.转换采样完成后，ADC开始进行模拟信号到数字信号的转换。

转换过程中，ADC将采样到的模拟信号与参考电压进行比较，并将其转化为对应的数字表示。

转换的精度受到ADC的位数以及参考电压的稳定性等因素的影响。

3.传输转换完成后，ADC将数字信号传输给处理器进行后续处理。

传输方式可以是并行传输，也可以是串行传输，具体取决于单片机的设计架构。

三、ADC精度调节方法1.参考电压校准参考电压的稳定性对ADC的精度具有重要影响。

因此，在设计中，需要对参考电压进行校准，以确保其稳定性和准确性。

- 内部参考电压校准：一些单片机具有内部参考电压源，可以利用该源提供的稳定参考电压进行校准。

在实际应用中，可以通过测量内部参考电压并与已知的参考电压进行比较来进行校准。