浅谈AD转换的位数对测量误差的影响

一、前言

现在的单片机内部带有的AD转换器大多在10到12位。一般应用中，AD转换的位数对于测量误差究竟有多大的影响，12位的ADC是否够用呢？ 下面通过实际测量，来讨论AD转换的位数对测量误差的影响。

 

二、电路设计

设计测试电路，使用 F030单片机进行测试。输入的模拟信号经过RC滤波之后，发送到 ADC的第0通道。使用两个电阻将模拟地和电源分开。电路板上还设置了 3.3V的稳压芯片。设计电路PCB，使其能够适应一分钟制板方法。

ADTest2024AprilTestADCBit.PcbDoc

▲ 图1.2.1 测试电路原理图720

▲ 图1.2.2 测试电路PCB

一分钟之后，得到制作的测试电路板。电路制作的非常完美。下面进行焊接测试。

三、测量结果

焊接电路板，对它进行清洗之后进行测量。利用探针夹子下载测试程序。下载测试程序，通过 ST-LINK中的串口完成测量数据上传给微机。利用Python 编程，使用 DH1766提供从 0.1到3.2V的电压，实际电压值通过DM3068测量  单片机对采集到的512个数据进行平均。在平均之前 分别取前面 1 到 12bit，这样便可以得到不同分辨率下ADC采样的数值了。

在测量电压范围内总共采集了 2000 个数据，绘制出电压与ADC之间的关系。可以看到，在 ADC采样位数比较小的时候，由于量化所造成的误差比较大。虽然这是512个数据的平均值，数据的误差主要来自于AD量化造成的。但是，随着位数的增加，也可以看到数据的中存在着噪声引起的波动。此时，噪声引起的误差超过了转换位数的带来的误差。

▲ 图1.3.1 不同位数对应的采集数据

通过对 单片机AD数据与电压之间进行线性拟合，计算拟合电压与实际电压之间误差的方差，可以看到，在AD转换位数从 1 到12为变化过程中，方差急剧下降。但是下降的速度越来越慢，当位数超过10位之后，基本上误差不变了。这是对方差取对数之后绘制的数据线。更加清晰的看到，当 AD转换的位数超过10之后，所得到的数据误差主要来自于电路的噪声了。因此，对于数据转换来讲，再高的ADC位数也没有用了。

▲ 图1.3.2 不同的ADC的位数对应的线性拟合误差

 

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

 

▲ 图1.3.3 位数与误差对数

※ 总  结 ※

本文对于单片机AD转换的位数对测量数据精度的影响进行了实际测量。当AD转换位数少于10位的时候，数据误差随着位数的增加指数下降，当位数超过10位置后，在普通单面制板的情况下，电路中的噪声所产生的误差，已经占据主要成分。实际上ADC转换位数对测量误差的降低已经没有了作用。

审核编辑：黄飞