在常用传感器中，模数转换器是其中至关重要的环节，模数转换器的精度以及系统的成本直接影响到系统的实用性。因此。如何提高模数转换器的精度和降低系统的成本是衡量系统是否具有实际应用价值的标准。

一、ADC简单介绍

ADC可分为SAR型、积分型、Σ－Δ型、折叠型等方式。SAR ADC因其功耗低、精度高、面积小等特点而被用于超大规模IC和片上系统中。SAR ADC的精度是关键参数。SAR ADC有采样、量化和编码等三种功能。三种功能中，采样最重要。采样的精确性决定了ADC的转换精度。逐次逼近型 ADC 中电路模块主要包括：S/H 电路、电容阵列、比较器、逐次逼近控制逻辑、时钟及偏置电路等，而 S/H 电路、电容阵列、比较器是高精度逐次逼近型 ADC 设计的关键。

首先由采祥保持电路采集并保持某点信号一段时间,在保持的这段时间里,对该点信号进行量化处理,以0或1数字编码形式输出,该串数字码与不同权重的参考电压相乘再相加,就是该点的电压值。按照这种方式,每隔一定周期就可以量化连续的模拟信号某点的电压值,采样点越多,还原的模拟信号就会越精确。

ADC的精度是整个电路和系统精度至关重要的部分。ADC的精度和分辨率是两个不同的概念。精度指转换后所得结果相对与实际值的准确度；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。一般来讲，分辨率越高，转换误差越小；但影响精度的因素较多，分辨率很高的ADC，可能并不一定具有很高的精度。

所谓嵌入式模数转换器是指将模拟多路开关、采样保持、A／D转换、微控制器集成在一个芯片上。经常采用逐次比较型进行A／D转换，模拟输入信号一般为非负单极性。且输入信号的电压范围为0～AVREF。

二、影响ADC精度参数

在验证ADC性能的时候,可以通过相关参数衡量其性能优劣,这些参数大体分为两大类,即静态参数和动态参数。

1、ADC静态特性参数

静态特性与时间无关,它是指实际量化特性与理想量化特性之间存在的偏差,包括:积分非线性误差(Integral Non-Linearity:INL)、微分非线性误差(Differential Non-Linearity; DNL)、增益误差(Gain error)、失调误差(Offset error)、分辨率(resolution)。

（1）增益误差(Gain error)

ADC 模块的输入、输出是线性关系。但实际上, ADC模块是存在增益误差和偏移误差的, 其中增益误差是实际曲线斜率和理想曲线斜率之间的偏差, 偏移误差（或失调误差）是0 V输入时实际输出值与理想输出值(0 V)之间的偏差。

（2）积分非线性误差(Integral Non-Linearity:INL)

模数转换器的积分非线性误差用来衡量实际特性曲线与理想特性曲线的最大差值,它表示了实际有限精度曲线相对与理想有限精度曲线的偏移量,可以用来估算谐波失真,通常以百分数或LSB为单位。

（3）微分非线性误差(DNL)

微分非线性误差为每个量化阶梯上测量的相邻编码之间的距离,通常是由电路元器件的非理想因素引入的模拟増量偏移值,以百分比或LSB为单位。

2、ADC动态特性参数

ADC的动态特性参数通常与ADC的转换速率和输入信号频率相关。主要包括:信噪比(SNR)、信噪失真比(SNDR)、无杂散动态范围(SFDR)、总谐波失真(THD)、有效位数(ENOB)。

3、温度湿度环境及电源电压的波动引起的误差、采样电压的波动

在实际应用中，由于环境温度、湿度等参数的变化可能会引入一些误差。电源电压的不稳定也会带来一定的误差，采样电压的波动(可能是由于高频信号叠加，或者其他随机干扰信号)，对整个系统的精度产生影响，电源电压变化引起的转换误差在高精度要求场合不可忽略。

4、其他因素

模数转换器（ADC）想要在实际应用中达到标称的精度，仅仅依赖ADC模块本身是不够的，实际的测量精度还会受到一系列外在因素的影响，例如：

•ADC时间配置（包括采集时间、转换时间、采样时间、采样时钟抖动等等）

•电源性能（噪声和内部阻抗）

•数据采集系统中数字和模拟部分的隔离情况

•内部阻抗与外部阻抗的匹配

•输入/输出开关切换的影响

•PCB布局布线

三、提高ADC精度方法

软件算法提高精度（常用的方法）

在运用具有内置模数转换模块的嵌入式单片机来进行模数转换的过程中，为了提高分辨率或对微弱信号采样识别，目前比较常用的方法主要是采用过采样技术来实现低于最小采样分辨率的微弱信号采样。该技术是通过多次对输入的采样信号叠加白噪声后，再模数转换输出，然后对输出取平均值。 在采样过程中，导致采样电压波动的因素有很多。可能是由于外界的随机信号干扰引起。也可能是由于电路中产生的谐波信号引起的周期性干扰信号。用软件滤波方法则可以有效减小此类误差。常用滤波算法如下：

算术平均滤波法

递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)

中值滤波法

一阶滞后滤波法

加权平均滤波法

针对环境及电压波动解决方案如下：

（1）采用高精度稳定电源供给，减少电源电压变化误差。

基准电压是提供ADC转换时的参考电压，是保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压要考虑单独用高精度稳定电源供给。此外，外加模拟电源和数字电源也要尽量采用稳定性高（电源电压敏感度

（2) 利用数学变换减小运算误差，减小温度漂移、湿度、环境等及电源电压的波动引起的误差。

（3）利用软件滤波方法。

针对增益误差和偏移误差解决方案如下：

（1）最小二乘法和一元线性回归（直线拟合问题） 用稳定信号源产生多个标准电压, 通过输入ADC通道记录采样值。然后利用最小二乘和一元线性回归思想处理数据, 求出的拟合最佳曲线, 使得各个坐标点到该最佳曲线的距离的平方和(残差平方和)最小。

（2）在用计算机对模拟信号采集情况下，将编码器零电平信号读入计算机内存中相应的单元，然后才开始采样程序的执行。在采样程序中，将采集到的数据与零电平相减，从而基本上消除偏移温漂误差。

ADC时间配置

在器件中，采样时间等于一个ADC时钟周期。该ADC模块的采样时间不仅依赖于ADC时钟，还与其他配置有关，如NXP芯片中可以通过修改ADCx_CFG1寄存器中的ADLSMP位和ADCx_CFG2寄存器中的ADLSTS位来对采样时间进行配置。因此，总的转换时间并不会随采样时间增加而显著增加，这种特性在高输入阻抗的情况下尤其有用。

ADC硬件处理

为了使ADC达到最佳的性能，我们需要正确地设计和配置整个系统。在硬件方面，可进行以下配置，例如： • 在芯片电源引脚间放置0.1uF的电容，电容应尽可能地贴近芯片封装（每对电源引脚间放置一个电容）

•在芯片电源引脚间放置约为100uF的电容

•PCB走线长度应该尽量短 •在实际应用设计中应充分考虑PCB走线上寄生参数的影响

•必须小心处理模拟电源以及参考引脚，使它们的噪声幅度最小 •针对数字部分和模拟部分使用不同的供电电源和地平面

•如果数字部分和模拟部分连接到了相同的供电电源，则应该在数字部分和模拟部分之间使用一个小的电感或磁珠进行连接

•使用地平面将有噪声的数字元件与模拟元件隔离开来，走线时用模拟地将模拟信号包围起来

外部RC元件的取值会从本质上影响ADC转换的精度，为了获得最佳的ADC性能，我们需要小心对待并设计外部RC元件，在选取采样时间时也必须参考采样电容充电的时间常数

很多人都认为，单机片和CPU不是属于两种不同的东西吗？他们怎么可以拿来比较，其实有专业人士就知道单机片和CPU 的关系可以说是十分的密切。本文来分享一下，他们到底隐藏着什么秘密。

什么是单片机，相信很多人都还不知道。也不知道单片机的作用是什么。单片机简称为单片微控制器（Microcontroler），它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机，因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。Intel的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

大家都知道我们的电脑主要是由中央处理单元CPU（进行运算、控制）、随机存储器RAM（数据存储）、存储器ROM（程序存储）、输入/输出设备I/O（串行口、并行输出口等）。安装在一个被称之为主板的印刷线路板上，就是我们个人的计算机了。

把单片机看成一个整体分成四块就很容易认识了。 把这些东西（CPU，硬盘，内存，主板等等）用集成块做好后，如下图所视：

就成了我们要学习的“单片机”了。而在单机片的内部，CPU，硬盘，内存，主板等等却又是另外的名字。

1）CPU（Central Processing Unit）。它是单片机的核心部件，包括运算器和控制器。运算器既是算术逻辑单元ALU（ArithmeTIc logic Unit），其功能是进行算术运算和逻辑运算。控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。起作用是完成取指令、将指令译码形成各种微操作并执行指令，同时控制计算机的各个部件有条不紊地工作。

2）计算机中的内存，在单片机里叫数据存储器，也叫随机存储器。用RAM（Random Access Memery）表示。其作用是用于存放运算的中间结果，数据暂存和缓冲，标志位等。特点是：掉电后会丢失数据。

3）计算机中的硬盘，在单片机中，叫程序存储器，也叫只读存储器。用ROM（Read only memery）表示。其作用和硬盘差不多，用来存放用户程序。特点是：掉电后不会丢失数据。

4）输入/输出设备I/O“主板”，在单片机里，叫做I/O（输入输出设备）当然也包含了串行口，并行口，定时器，记时器等等。

来源：网络转载

新一代AVR MCU系列搭载独立于内核的外设、具备先进模拟和片上通信功能

随着物联网（IoT）为工业和家庭应用提供更强的连接性，以及车联网提升了驾驶室和操控功能，业界需要更高性能的单片机来实现更好的实时控制以及增强的人机接口应用。Microchip Technology Inc.（美国微芯科技公司）今日宣布推出下一代AVR® DA系列单片机（MCU），是其首款带有外设触摸控制器（PTC）的功能安全型AVR MCU系列。

Microchip 8位单片机事业部助理营销副总裁Greg Robinson表示：“新推出的AVR DA单片机系列继承了Microchip高性能和高代码效率器件的优势，通过搭载先进模拟和独立于内核的外设，以及比现有器件更多的电容式触摸通道，满足了多个行业的新需求。新的单片机系列产品广泛应用于智能家居安全、楼宇自动化、传感器系统等应用，以及汽车和工业自动化等领域，助力开发人员设计出更加强大、精确和响应灵敏的各类应用。”

Microchip的功能安全认证适用于具有最新安全特性的器件，这些器件同时还带有安全手册、故障模式、影响与诊断分析（FMEDA）报告，在某些情况下，还具备诊断软件，从而减少终端应用安全认证的时间和成本。AVR DA MCU系列包括多个集成的安全功能，以确保稳健的运行，诸如上电复位、欠压检测器和电压水平监控器，可确保充足的电源电压。循环冗余校验（CRC）扫描确保闪存中的应用程序代码有效。通过确保代码的完整性，可避免应用程序的意外和潜在的不安全行为。

Microchip的新型AVR DA系列MCU可在全电源电压范围内实现24 MHz的CPU速度、存储密度高达128 KB的闪存、16 KB SRAM和512 字节EEPROM，具备12位差分ADC、10位DAC、模拟比较器和过零检测器。PTC支持电容式触摸接口设计，支持按钮、滑动条、滚轮、触摸板、较小型触摸屏及广泛应用于消费和工业产品和车辆的手势控制。AVR DA系列支持多达46个自电容和529个互电容触摸通道，并采用最新一代增强型驱动屏蔽PTC和升压模式技术，提供增强的抗噪性、耐水性、触摸灵敏度和响应时间。

此外，AVR DA 系列MCU为嵌入式实时控制系统带来了额外的价值。集成事件系统支持外设间无需CPU即可进行通信。事件无延迟，信息不会丢失，为进行可靠和安全的设计提供了增强的实时性能和可预测性。通过减少CPU需要激活的时间，应用程序的总功耗得以降低。

可配置的自定义逻辑外设支持内部逻辑功能设置，无需外部元件，减少电路板空间和材料成本。凭借12位差分ADC等先进模拟特性，AVR DA系列MCU可在嘈杂环境中测量小幅度信号，非常适合于哈希环境中的传感器节点应用。

AVR DA系列MCU的高存储密度和SRAM与闪存的比率使AVR DA系列产品对无线和有线连接的传感器节点以及其他协议栈密集型应用都具有吸引力。

开发工具

Microchip AVR DA系列提供多种软硬件支持选项。软件支持包括Microchip MPLAB® X、MPLAB Xpress和Atmel Studio，代码配置工具包括MCC和START，编译器包括GCC、XC8和IAR嵌入式工作台（IAR Embedded Workbench）。XC8编译器的功能安全认证版本可通过Microchip功能安全程序获得。硬件支持包含在调试器/编程器中，包括MPLAB PICkit™ 4、MPLAB SNAP、Atmel ICE和AVR128DA48 Curiosity Nano评估工具包。

供货与定价

AVR DA系列单片机现已实现量产，10,000枚起售，单价为0.87美元。如需了解更多信息，请联系Microchip销售代表、全球授权分销商或访问Microchip网站。如需购买上述产品，请访问“Microchip直销网站”或联系Microchip授权分销商。

资源

1、采用短变量

一个提高代码效率的最基本的方式就是减小变量的长度。使用 C 编程时，我们都习惯于对循环控制变量使用 int 类型，这对 8 位的单片机来说是一种极大的浪费，你应该仔细考虑你所声明的变量值可能的范围，然后选择合适的变量类型，很明显，经常使用的变量应该是unsigned char，只占用一个字节。

2、使用无符号类型

为什么要使用无符号类型呢？原因是8051不支持符号运算，程序中也不要使用含有带符号变量的外部代码，除了根据变量长度来选择变量类型外，你还要考虑是否变量是否会用于负数的场合。如果你的程序中可以不需要负数那么把变量都定义成无符号类型的。

3、避免使用浮点指针

在 8 位操作系统上使用 32 位浮点数是得不偿失的。你可以这样做，但会浪费大量的时间，所以当你要在系统中使用浮点数的时候，你要问问自己这是否一定需要，可以通过提高数值数量级和使用整型运算来消除浮点指针，处理ints和longs比处理doubles和floats要方便得多，你的代码执行起来会更快，也不用连接处理浮点指针的模块。如果你一定要，采用浮点指针的话，你应该采用西门子 80517 和达拉斯半导体公司的 80320 这些已经对数，处理进行过优化的单片机。如果你不得不在你的代码中加入浮点指针，那么你的代码长度会增加程序执行速度也会比较慢。如果浮点指针运算能被中断的话，你必须确保要么中断中不会使用浮点指针运算，要么在中断程序前使用 fpsave 指令把中断指针推入堆栈，在中断程序执行后使用 fprestore 指令把指针恢复，还有一种方法是，当你要使用像 sin()这样的浮点运算程序时,禁止使用中断，在运算程序执行完之后再使能它。

4、使用位变量

对于某些标志位应使用位变量而不是 unsigned char，这将节省你的内存，你不用多浪费7位存储区，而且位变量在RAM中访问他们只需要一个处理周期。

5、用局部变量代替全局变量

把变量定义成局部变量比全局变量更有效率，编译器为局部变量在内部存储区中分配存储空间，而为全局变量在外部存储区中分配存储空间，这会降低你的访问速度，另一个避免使用全局变量的原因是你必须在你系统的处理过程中调节使用全局变量，因为在中断系统和多任务系统中，不止一个过程会使用全局变量。

6、为变量分配内部存储区

局部变量和全局变量可被定义在你想要的存储区中，根据先前的讨论,当你把经常使用的变量放在内部 RAM 中时,可使你的程序的速度得到提高,除此之外,你还缩短了你的代码,因为外部存储区寻址的指令相对要麻烦一些考虑到存储速度，按下面的顺序使用存储器DATA IDATA PDATA XDATA，当然你要记得留出足够的堆栈空间。

7、使用特定指针

当你在程序中使用指针时，你应指定指针的类型确定它们指向哪个区域如 XDATA 或CODE 区，这样你的代码会更加紧凑，因为编译器不必去确定指针所指向的存储区，因为你已经进行了说明。

8、使用调令

对于一些简单的操作，如变量循环位移，编译器提供了一些调令供用户使用，许多调令直接对应着汇编指令，而另外一些比较复杂并兼容 ANSI 所有这些调令都是再入函数，你可在任何地方安全的调用他们和单字节循环位移指令 RL A 和 RR A 相对应的调令是_crol_ 循环左移 和_cror_(循环右移)。如果你想对 int 或 long 类型的变量进行循环位移，调令将更加复杂而且执行的时间会更长 对于 int 类型调令为_irol_,_iror_ ,对于 long 类型调令为_lrol_,_lror_。在 C 中也提供了像汇编中 JBC 指令那样的调令_testbit_ ，如果参数位置位他将返回1，否则将返回 0 这条调令在检查标志位时十分有用，而且使 C 的代码更具有可读性调令将直接转换成 JBC 指令。

#include <instrins.h>
void serial_intr(void) interrupt 4 {
if (!_testbit_(TI)) { // 是否是发送中断
P0=1; // 翻转 P0.0
_nop_(); // 等待一个指令周期
P0=0;
...
}
if (!_testbit_(RI)) {
test=_cror_(SBUF, 1); // 将SBUF中的数据循环
// 右移一位
...
}
}

9、使用宏替代函数

对于小段代码，像使能某些电路或从锁存器中读取数据，你可通过使用宏来替代函数使得程序有更好的可读性你可把代码定义在宏中，这样看上去更像函数。编译器在碰到宏时，按照事先定义的代码去替代宏，宏的名字应能够描述宏的操作，当需要改变宏时，你只要修该宏定义处。

#define led_on() {\
led_state=LED_ON; \
XBYTE[LED_CNTRL] = 0x01;}
#define led_off() {\
led_state=LED_OFF; \
XBYTE[LED_CNTRL] = 0x00;}
#define checkvalue(val) \
( (val < MINVAL || val > MAXVAL) ? 0 : 1 )

宏能够使得访问多层结构和数组更加容易，可以用宏来替代程序中经常使用的复杂语句以减少你打字的工作量且有更好的可读性和可维护性。

10、存储器模式

C51提供了 3 种存储器模式来存储变量、过程参数和分配再入函数堆栈。你应该尽量使用小存储器模式，很少应用系统需要使用其它两种模式，像有大的再入函数堆栈系统那样。一般来说如果系统所需要的内存数小于内部RAM 数时，都应以小存储模式进行编译。在这种模式下 DATA 段是所有内部变量和全局变量的默认存储段，所有参数传递都发生在DATA 段中，如果有函数被声明为再入函数，编译器会在内部 RAM 中为他们分配空间，这种模式的优势就是数据的存取速度很快，但只有120个字节的存储空间供你使用，总共有128个字节，但至少有8个字节被寄存器组使用，你还要为程序调用开辟足够的堆栈。如果你的系统有 256 字节或更少的外部 RAM 你可以使用压缩存储模式。这样一来，如果不加说明，变量将被分配在 PDATA 段中，这种模式将扩充你能够使用的 RAM 数量，对XDATA 段以外的数据存储仍然是很快的，变量的参数传递将在内部 RAM 中进行，这样存储速度会比较快，对 PDATA 段的数据的寻址是通过 R0 和R1进行间接寻址，比使用 DPTR 要快一些在大存储模式中，所有变量的默认存储区是 XDATA 段 Keil C 尽量使用内部寄存器组进行参数传递，在寄存器组中可以传递参数的数量和和压缩存储模式一样，再入函数的模拟栈将在 XDATA中 对 XDATA 段数据的访问是最慢的，所以要仔细考虑变量应存储的位置使数据的存储速度得到优化。

11、混合存储模式

Keil 允许使用混合的存储模式，这点在大存储模式中是非常有用的。在大存储器模式下，有些过程对数据传递的速度要求很高。我就把过程定义在小存储模式寄存器中，这使得编译器为该过程的局部变量在内部 RAM中分配存储空间，并保证所有参数都通过内部 RAM进行传递。尽管采用混合模式后编译的代码长度不会有很大的改变，但这种努力是值得的就像能在大模式下把过程声明为小模式一样，你像能在小模式下把过程声明为压缩模或大模式，这一般使用在需要大量存储空间的过程上，这样过程中的局部变量将被存储在外部存储区中，你也可以通过过程中的变量声明，把变量分配在 XDATA 段中。

12、运行库

运行库中提供了很多短小精悍的函数，你可以很方便的使用他们，你自己很难写出更好的代码了。值得注意的是库中有些函数不是再入函数，如果在执行这些函数的时候被中断，而在中断程序中又调用了该函数，将得到意想不到的结果。而且这种错误很难找出来，最好禁止使用这些函数的中断。