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各位工程師朋友們，你是否曾遇到這樣的困擾：精心設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)，ADC測(cè)量精度卻總是不達(dá)標(biāo)？明明選擇了高分辨率ADC，實(shí)測(cè)結(jié)果還是差強(qiáng)人意？

別著急！本期我們帶你徹底搞懂精度問題，掌握軟硬結(jié)合的解決方案！

01兩個(gè)關(guān)鍵概念

在提升精度前，先來介紹兩個(gè)容易混淆的詞：

準(zhǔn)確度vs 精確度

準(zhǔn)確度（accuracy）：測(cè)試值與理論值的偏差，偏差越大準(zhǔn)確度越低

精確度（precision）：每次測(cè)試值之間的偏差，偏差越大精確度越低

根據(jù)準(zhǔn)確度和精確度可以分為以下四種：

圖1：四種偏差情況

準(zhǔn)確度的高低根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值與理論值的偏差來確定，精確度的高低根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差來確定。

在使用ADC中往往遇到的是Low Accuracy, High Precision（低準(zhǔn)確度，高精確度）。

電路板的功能越來越豐富，器件越來越多，有傳感器（感知信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓），運(yùn)放（對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖，濾波，放大，電流-電壓轉(zhuǎn)換）， ADC（實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換），FPGA 或者 MCU等數(shù)字芯片，設(shè)計(jì)好每一個(gè)器件都是件富有挑戰(zhàn)的事。

圖2：電路板器件示意圖

02誤差從哪里來？

即使在PCB布局合理， 電源供電穩(wěn)定，ADC基準(zhǔn)設(shè)計(jì)合理的情況下，實(shí)際測(cè)試的值與理論值也會(huì)存在偏差。這些偏差是怎么產(chǎn)生的呢？ 運(yùn)放自身的偏置電壓、運(yùn)放的偏置電流流過電阻產(chǎn)生的偏置電壓、運(yùn)放的失調(diào)電流、電阻的精度、ADC的offset誤差、ADC的增益誤差等，這些都會(huì)引起ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果與實(shí)際傳感器輸出值有偏差。

這些誤差按起因大致可以分為：失調(diào)誤差， 增益誤差， 非線性誤差、噪聲誤差。

圖3：誤差來源

失調(diào)誤差（Offset Error）：反映的是理論過零點(diǎn)與實(shí)際過零點(diǎn)的偏差，有正失調(diào)誤差和負(fù)失調(diào)誤差之分。正失調(diào)誤差： 輸出0到1（或1到2）跳變點(diǎn)的輸入電壓小于理論跳變點(diǎn)電壓，理論電壓與實(shí)際跳變電壓的差值即為正失調(diào)誤差。負(fù)失調(diào)誤差： 輸出0到1跳變點(diǎn)的輸入電壓大于理論跳變點(diǎn)電壓，理論電壓與實(shí)際跳變電壓的差值即為負(fù)失調(diào)誤差。

圖4：失調(diào)誤差

增益誤差：理想傳輸函數(shù)與實(shí)際傳輸函數(shù)的偏差。在消除失調(diào)誤差的影響后，系統(tǒng)第一次飽和輸出時(shí)，實(shí)際輸入與理論輸入的偏差，或者實(shí)際輸出與理論輸出的偏差。

圖5：增益誤差

實(shí)際測(cè)試中，測(cè)試的滿量程（FSR Full Scale Range）誤差包含offset error，真正的增益誤差Gain error需要去除offset error。

圖6：實(shí)際測(cè)試中的誤差

03實(shí)用校準(zhǔn)方案

針對(duì)失調(diào)誤差和增益誤差可以使用兩點(diǎn)法校準(zhǔn)和分段法校準(zhǔn)。如果線性度較好，選擇兩點(diǎn)校準(zhǔn)，線性度較差情況下推薦使用分階段校準(zhǔn)，這里介紹如何使用兩點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

選擇兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)：VIN1, VIN2

記錄VIN1和 VIN2 輸入時(shí)的系統(tǒng)輸出 VOUT1 , VOUT2

計(jì)算斜率：Slope_m = (VOUT2-VOUT1)/(VIN2-VIN1),

計(jì)算失調(diào)：Offset_m = VOUT2-VIN2*Slope_m

校準(zhǔn)值：Vin_cal = (VOUT - Offset_m ) / Slope_m

圖7：校準(zhǔn)方法

04噪聲誤差如何處理？

噪聲引起的誤差在滿足奈奎斯特采樣率的要求前提下，可以用平均等濾波算法通過犧牲采樣率來提高，即Sigma Delta ADC的核心原理。

圖8：噪聲濾波

上面介紹了由offset error和gain error引起的系統(tǒng)誤差，可以通過兩點(diǎn)校準(zhǔn)算法來實(shí)現(xiàn)，噪聲引起的誤差通過數(shù)字濾波算法來降低（會(huì)在下一集ADC小課堂中展開講解）。

所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)高精度采集系統(tǒng)時(shí)，要軟硬結(jié)合，即選擇性價(jià)比高的芯片同時(shí)加上軟件的優(yōu)化來滿足設(shè)計(jì)需求。