单片机10位ADC是否够用？

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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。

▲ 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

BitsVar10.201675084341747920.0515357181454840530.0135279603251481940.00346802071391868350.000851764950908431160.0002058020544265129675.001551736517359e-0581.3009367147500475e-0595.263557870607768e-06104.309030498367149e-06114.297694583457816e-06124.314972044296696e-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。

比较常用的单片机系列

MCS-51系列及与之兼容的80C51系列单片机

在我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机虽然是8位单片机，但它品种齐全、兼容性强、性价比高，且软硬件应用设计资料丰富，已为广大工程技术人员所熟悉，因此在我国得到了广泛的应用。

MCS是Intel公司的注册商标。凡Intel公司生产的以8051为核心单元的其他派生单片机都可以称为MCS-51系列，有时简称为51系列。MCS-51系列单片机包括8031、8051、87513个基本型和对应的低功耗型80C31、80C51、87C51。

MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有所区别。最常用的51系列单片机是8051和AT89C51(如图1-2所示)等。

AT89C51具有片内E2PROM，是真正的单片机，由于不需要外接EPROM，所以应用非常普遍。8031、8051片内没有EPROM，但它价格很低，软硬件系统开发成熟，所以应用也非常广泛。目前51系列的产品大多是8031、8051和AT89C51等。

除了Intel公司，还有Atmel、Winbond、Philips、TEMIC、ISSI和LG等公司都生产兼容80C51的产品。

宏晶公司生产的STC89C5lRC单片机为低电压、高性能的CMOS 8 位单片机，片内含2Kbyte的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128byte的随机存取数据存储器(RAM)，工作电压为2.7V～6V，还含有2个16位的定时器，6 个内部中断源，可编程的串口 UART，兼容标准 MCS-51 指令系统。片内置有通用 8 位中央处理器和Flash存储单元，封装只有40针，体积比较小，工作温度为-40℃～+85℃。

STC89C5lRC单片机可以利用STC-ISP软件方便地实现在线烧写程序。本书使用的实验开发板采用的就是STC89C5lRC单片机。

TI公司的超低功耗Flash型MSP430系列单片机

有业界最佳“绿色微控制器(Green MCUs)”称号的 TI 公司的 MSP430 Flash 系列单片机，是目前业界所有内部集成闪速存储器(Flash ROM)产品中功耗最低的，消耗功率仅为其他闪速微控制器(Flash MCUs)的 1/5。在 3V 工作电压下其耗电电流低于 350μA/MHz，待机模式仅为 1.5μA/MHz，具有 5 种节能模式。该系列产品的工作温度范围为-40℃～85℃，可满足工业应用要求。MSP430 微控制器可广泛地应用于煤气表、水表、电子电度表、医疗仪器、火警智能探头、通信产品、家庭自动化产品、便携式监视器及其他低耗能产品。由于MSP430微控制器的功耗极低，可设计出只需一块电池就可以使用长达10年的仪表应用产品，因此，MSP430 Flash系列是不可多得的高性价比单片机。

OKI低电压低功耗单片机

OKI公司的高性价比4位机MSM64K系列也是低功耗低电压的微控制器，其工作电压可低至1.25V，使用32kHz的工作频率，工作电流可低至3μA～5μA，HALT(关断)模式下小于1μA，而其功能却并不逊色。MSM64K系列单片机片内集成了LCD(液晶显示器)驱动器，可方便地与液晶显示器连接，且具有片内掩模(Mask)的程序存储器，有些型号还带有串口、RC振荡器、看门狗、模数转换器(ADC)、脉宽调制(PWM)等，几乎不需要外扩芯片即可满足应用，其工作温度范围可达-40℃～85℃，提供PGA封装和裸片。该系列微控制器应用广泛，适用于使用LCD显示、电池供电的设备，如掌上游戏机、便携式仪表(体温计、湿度计)、智能探头、定时器(时钟)等低成本、低功耗的产品。

ST公司的ST62系列单片机

美国ST微电子公司是一家独立的全球性公司，专门从事半导体集成电路的设计、生产、制造和销售，以及生产各种微电子应用中的分立器件。应用领域涉及电子通信系统、计算机系统、消费类产品、汽车应用、工业自动化和控制系统等。ST公司可提供满足各种需要的单片机或微控制器，其中ST62系列8位单片机以其简单、灵活、价低格等特点，特别适用于汽车、工业、消费领域的嵌入式微控制系统。ST62系列提供多种不同规格的单片机以满足各种需要，存储器从1KB到8KB，有ROM、OTP、EPROM、E2PROM、Flash E2PROM，I/O接口从9个到22 个，引脚从16 个到42个，还有 ADC、LCD 驱动、看门狗、定时器、串行口、电压监控等部件。ST62 单片机采用独特的制造工艺和技术，大大提高了抗干扰能力，能适应于各种恶劣环境。

AD公司的带A/D与D/A转换器的单片机

ADμC812是AD公司推出的全集成12位数据采集系统，片内集成了8路12位高性能的自校准ADC、2路12位DAC和与80C51指令兼容的8位MCU。AD公司最近又推出了16位和24位ADC的ADμC816和ADμC824，其他性能特性与ADμC812基本相同。

ADμC812 MCU 包括8KB的Flash程序存储器、640B 的Flash数据存储器、256B 的RAM和与80C51 兼容的内核。并且具有看门狗定时器、电源监视器及ADC DMA 功能，32 个可编程I/O接口、I2C/SPI兼容和标准UART串行通信接口。芯片具有正常、空闲和掉电三种工作模式，非常适合低功耗应用的电源管理方案，如智能传感器、电池供电系统(可移动PC、手持仪器、终端)、瞬时捕捉系统、DAS和通信系统等。

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