在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，STM32 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的精度至關(guān)重要。本文章將深入研究影響 STM32 ADC 精度的主要誤差來源，為嵌入式開發(fā)中遇到采樣問題時提供全面且深入的參考思路。

誤差，通俗來講，就是真實(shí)數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)之間的偏差。ADC 的誤差存在于所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，而轉(zhuǎn)換精度將取決于 ADC 器件的誤差消除情況。STM32 數(shù)據(jù)手冊的 ADC 特性描述章節(jié)對這些誤差的來源進(jìn)行了分析，并規(guī)定了 STM32 的 ADC 的不同精度誤差類型。為了便于敘述，我們將精度誤差用 1 LSB（有效位）的倍數(shù)來表示。對于電壓的采樣而言，分辨率取決于 ADC 的轉(zhuǎn)換位數(shù)和外部提供的參考電壓，通過將 LSB 數(shù)乘以 1 LSB 對應(yīng)的電壓，我們可以計算出電壓誤差。

ADC 自身設(shè)計帶來的誤差

偏移誤差

偏移誤差指的是次實(shí)際轉(zhuǎn)換和次理想轉(zhuǎn)換之間的偏離。次轉(zhuǎn)換發(fā)生在數(shù)字 ADC 輸出從 0 變?yōu)?1 時。理想情況下，當(dāng)模擬輸入介于 0.5 LSB 和 1.5 LSB 之間時，數(shù)字輸出應(yīng)為 1，且次轉(zhuǎn)換發(fā)生在 0.5 LSB 處，用 EO 表示偏移誤差。偏移誤差可以通過一些方法輕松校準(zhǔn)。

在 STM32 ADC 的采樣中，電壓的可被測量的電壓用 LSB 作為單位進(jìn)行量化。在 VREF+ = VDDA，ADC 為 12bit 的情況下，1 LSB = (VREF+) / 4096。如果 VREF+ = 3.3 V，那么在理想情況下，1LSB = 805.6μV。此時，402.8 μV（0.5 LSB = 0.5 × 805.6 μV）的輸入應(yīng)該會轉(zhuǎn)換成數(shù)字 1 輸出。但實(shí)際上，ADC 轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出可能仍然是讀數(shù) 0。若 550 μV 的模擬電壓輸入才獲得數(shù)字輸出 1，則偏移誤差 = 實(shí)際轉(zhuǎn)換 – 理想轉(zhuǎn)換，即 EO = 550 μV – 402.8 μV = 141.2 μV，EO = 141.2 μV / 805.6 μV = 0.17 LSB。當(dāng)大于 0.5 LSB 的模擬輸入電壓生成次轉(zhuǎn)換時，偏移誤差為正；反之則為負(fù)。

增益誤差

增益誤差是指實(shí)際轉(zhuǎn)換和理想轉(zhuǎn)換之間的偏離，用 EG 表示。實(shí)際轉(zhuǎn)換是從 0xFFE 到 0xFFF 的轉(zhuǎn)換。理想情況下，當(dāng)模擬輸入等于 VREF+ – 0.5 LSB 時，應(yīng)存在從 0xFFE 到 0xFFF 的轉(zhuǎn)換。對于 VREF+ = 3.3 V，理想轉(zhuǎn)換應(yīng)發(fā)生在 3.299597 V 處。

如果 ADC 提供 VAIN <VREF+ – 0.5 LSB 的 0xFFF 讀數(shù)，將獲得負(fù)增益誤差。例如，若 VREF+ = 3.3 V 且 VAIN = 3.298435 V 時生成從 0xFFE 到 0xFFF 的轉(zhuǎn)換，則 EG = 3.298435 V – 3.299597 V = –1162 μV，EG = (–1162 μV / 805.6 V) LSB = –1.44 LSB。當(dāng) VAIN 等于 VREF+ 時沒有得到滿量程讀數(shù)（0xFFF），則增益誤差為正。

微分線性誤差

微分線性誤差（DLE）是指實(shí)際步進(jìn)和理想步進(jìn)之間的偏離，用 ED 表示。這里的 “理想情況” 并非指理想傳輸曲線，而是指 ADC 分辨率。理想情況下，1 LSB 的模擬輸入電壓變化量應(yīng)導(dǎo)致數(shù)字量變化。如果需要大于 1 LSB 的模擬輸入電壓才能導(dǎo)致數(shù)字代碼變化，就會觀察到微分線性誤差。

假設(shè) 1.9998 V 至 2.0014 V 模擬輸入電壓范圍內(nèi)的數(shù)字輸出相同，步寬為 2.0014V – 1.9998V = 1.6mV。因此，ED 等于較高（2.0014 V）和較低（1.9998 V）模擬電壓之間的電壓差減去 1 LSB 所對應(yīng)的電壓。若 VREF+ = 3.3 V，則 1.9998 V（0x9B1）的模擬輸入可提供介于 0x9B0 和 0x9B2 之間的結(jié)果，2.0014 V（0x9B3）的輸入可提供介于 0x9B2 和 0x9B4 之間的結(jié)果。所以，0x9B2 步進(jìn)所對應(yīng)的總電壓變化量為 2.0014 V – 1.9998 V = 1.6 mV（1660 μV），ED = 1660 μV – 805.6 μV = 854.4 μV，ED = (854.4 μV / 805.6 μV) LSB = 1.06 LSB。假設(shè)當(dāng)步寬小于 1 LSB 時，電壓高于 2.0014 V 不會導(dǎo)致 0x9B2 數(shù)字代碼，則 ED 為負(fù)。

積分線性誤差

積分線性誤差是指任何實(shí)際轉(zhuǎn)換和端點(diǎn)相關(guān)線間的偏離，用 EL 表示，也稱為積分非線性（INL）誤差。端點(diǎn)相關(guān)線可以定義為 A/D 傳輸曲線上連接次實(shí)際轉(zhuǎn)換與實(shí)際轉(zhuǎn)換的線。EL 是指與每轉(zhuǎn)換的這條線的偏離，因此端點(diǎn)相關(guān)線對應(yīng)于實(shí)際傳輸曲線，與理想傳輸曲線無關(guān)。ILE 是整個范圍內(nèi) DLE 的積分。

例如，如果從 0 到 1 的次轉(zhuǎn)換發(fā)生在 550 μV 處，并且轉(zhuǎn)換（0xFFE 到 0xFFF）發(fā)生在 3.298435 V（增益誤差）處，則傳輸曲線上連接實(shí)際數(shù)字代碼 0x1 和 0xFFF 的線為端點(diǎn)相關(guān)線。

總未調(diào)整的誤差

總未調(diào)整誤差（TUE）是指實(shí)際和理想傳輸曲線間的偏離。TUE 是記錄到的任何輸入電壓的理想預(yù)期值與從 ADC 獲得的實(shí)際值之間的偏離，但它不是 EO、EG、EL 與 ED 之和。偏移誤差影響較低電壓的數(shù)字結(jié)果，而增益誤差影響較高電壓的數(shù)字輸出。

例如，如果 VREF+ = 3.3 V 且 VAIN = 2 V，則理想結(jié)果為 0x9B2。但如果得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果為 0x9B4，由于 DLE 和 ILE 同時發(fā)生，因此偏離可能源于偏移。TUE = （實(shí)際值 – 理想情況值） = 0x9B4 – 0x9B2 = 0x2 = 2 LSB。