模数转换器精度和准确度的基本了解

了解ADC性能，尤其是与系统要求相关的性能，并不总是一件容易的事。例如，一个客户为他们的产品设计了一个他们认为是简单的低端测试系统。客户 需要 开发 精度 为 1% 的 测试 系统， 因此 决定 使用 与 MCU 集成 的 12 位 分辨率 ADC。使用集成ADC的原因是，它们有足够的裕量来满足12位ADC的精度要求。事实证明，这不是一个正确的评估。他们的第一个错误是他们不了解如何正确评估所需的准确性。

由于系统级测量不准确，其测试系统的初始制造运行显示废品率为2%。这促使他们走上了升级MCU的道路，以便他们可以实施额外的数字处理来提高系统精度。这是他们的第二个错误。他们错误地诊断了2%剔除率的根本原因，并通过应用额外的数字处理加剧了他们的第一个错误。结果是他们的下一次生产运行具有高达5%的废品率和更高的可变性。

当客户认为他们的准确性比他们需要的要高得多时，他们是如何设计一个失败的系统？客户未能解释ADC的关键规格并将其应用于所需的系统要求。

让我们回顾一下决策过程，以评估他们是如何在这种情况下结束的。客户犯的第一个错误是将分辨率与精度和准确性混为一谈，这是一个常见的错误。第二个错误是未能确定导致高拒绝率的真正错误来源。这反过来又导致了进一步提高废品率的解决方案。

模数转换器分辨率

分辨率是ADC的第一个也是搜索最广泛的参数。客户查看了ADC分辨率，并假设它与ADC的精度和精密度相匹配。问题在于，分辨率、精度和准确度并不总是相关的，并且在给定的ADC上可能会有很大差异。

ADC的分辨率仅指ADC输出的位数或代码数。它不能定性指示来自ADC的数据的精度或准确度。

并非所有12位ADC都是平等的。您必须深入挖掘才能了解ADC提供的性能。

这可以通过查看分辨率的定性指标来实现，例如有效分辨率（位），有效位数（ENOB）和噪声（伏特）。这些属性用于以略有不同的方式定义分辨率。

有效分辨率只是考虑ADC相对于满量程输入的噪声的可用ADC分辨率。有效分辨率通常用作定性品质因数，以指示DC RMS（均方根）噪声的影响，即ADC读数与平均值相差一个标准差。例如，如果从100位ADC获取12个读数，并将100个读数的标准偏差计算为2位，则ADC的有效分辨率为10位。

ENOB类似于有效分辨率，但就位而言，它是AC RMS噪声的定性品质因数。

噪声是表示ADC有效分辨率的另一种方式，但它以伏特为单位进行量化。

当试图根据参考输入的信号比较ADC的性能时，噪声很有用，而在试图理解ADC的噪声时，位很有用，因为它与ADC的满量程代码范围有关。例如，让我们比较具有12位有效分辨率的ADC和具有10位有效分辨率的ADC。具有12位有效分辨率的ADC具有5 V的满量程范围，折合到输入端的噪声为（5V/2^12）= 1.2mV。具有10位有效分辨率的ADC具有1 V的满量程范围，折合到输入端的噪声为（1V/2^10） = 0.98mV。12位有效分辨率ADC具有更高的折合输入噪声，因此最佳RMS精度为1.2mV，但输入范围更宽。10位有效分辨率具有较低的输入参考噪声，但具有较小的输入范围。

哪个ADC更好？答案取决于您的应用需求。

精度

精度是测量结果持续再现的能力，换句话说，是测量值的可重复性。测量精度越高，就越能发现细微的差异。精度高很好。

准确性

精度是测量与被测量的实际值相匹配的能力。尝试测量特定值时需要它。高精度非常好。

精度和准确性哪个更重要？

假设我买了一套箭，然后去射箭场使用三个系统来展示精度和准确性。

图 1 显示了系统 1，这是一个精确系统的示例。请注意，箭头是紧密分组的，这表明启动箭头的方法非常可重复。但是，它们没有接近靶心的预期目标，这意味着发射器或箭头的性能无法准确。

图 2 显示了系统 2，这是一个精确、准确的系统示例。同样，请注意箭头是紧密分组的，这表明启动箭头的方法非常可重复。另请注意，它们分组在靶心上，这表明精度很高。

图 3 显示了系统 3，这是一个既不精确也不准确的系统示例。箭头没有紧密分组，精度低。

 

精度和准确性哪个更重要？
 

为了回答这个问题，让我们再次看一下这三个系统。

如果一个月后，制造了一套新的箭，而我在射箭场使用这些箭，会发生什么？我希望系统 1 中的分组保持紧密，但由于新箭头与旧箭头不同，因此分组可能已移动到目标上的不同位置。我还希望系统 2 和系统 3 中的分组与以前相同。

如果第二天射箭场的温度、湿度或风改变了方向会怎样？同样，我希望系统 1 中的分组保持紧密，但分组将移动到目标上的不同位置。此外，我希望系统 2 和系统 3 中的分组与以前相同。

如果我每天发射一组环境条件不断变化的新制造的箭头，会发生什么？大约 30 天后，系统 2 看起来与第一天相同，但系统 1 和系统 3 将开始看起来相同。随着时间的推移，没有精度的精密系统开始看起来像一个既没有精度也没有精度的系统，因为精度会根据内部变化（制造）和外部变化（环境）而变化。

这就是本文开头示例中客户所发生的情况。他们认为自己有准确性，但意识到他们没有。然后他们试图提高精度来补偿，但系统发生了变化，因此他们失去了精度和准确性，不得不重新设计他们的系统。

现在我们对分辨率、精度和准确度有了很好的了解，我们可以将这种理解应用到我们的ADC上。在第二部分中，我们将继续探索客户示例，以了解定义精度和准确度的ADC参数。这将最终使我们能够达到满足我们要求的系统精度。

审核编辑：郭婷