单片机10位ADC是否够用？
单片机10位ADC是否够用？
单片机内部的AD转换器大多在10到12位，那么这些位数对于测量误差究竟有多大影响？本文通过实际电路设计和测量，探讨了不同位数ADC的测量精度问题，得出了令人意外的结论。
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。
AD\Test\2024\April\TestADCBit.PcbDoc
▲ 图1.2.1 测试电路原理图720
▲ 图1.2.2 测试电路PCB
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。