MCU内置ADC与外部ADC的六维对比

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当前，12位ADC已成为大多数MCU的标准配置，这引发了一个关键问题：在何种情况下需要采用独立的外部ADC？

事实上，内置ADC与外部ADC的选择并无绝对标准，而需基于具体的性能需求进行综合评估，同时考虑系统成本等因素。本文将从六个关键维度，对MCU内置ADC和外部ADC进行系统性的技术对比分析。

第一维：系统集成度

单片机内置 ADC：ADC 内置于单片机内部，集成度高，不需要额外的硬件。适合对外围元件要求较低、系统硬件成本敏感的应用场合。因为与其他模块共享单片机的资源，体积小，集成方便。

外部 ADC：需要额外的 ADC 芯片，增加了硬件复杂性和成本，但性能更优。适用于对采样精度、采样速率、抗干扰能力等要求高，降低嵌入式软件开发成本的场合。

第二维：成本

单片机内置 ADC：ADC 集成在单片机内部，降低了系统的硬件生产成本，特别是在低成本预算项目，或者需要大批量生产制造的消费类电子产品。如果单片机担负任务繁重时，会增加其软件开发成本。对于ADC性能要求较高时，集成单片机的方案可能会比分立方案成本更高。

外部 ADC：由于需要外部的 ADC 及其辅助电子元器件，生产制造成本较高，通常用于需要高性能的工业，医疗，汽车电子，雷达，通信设备，科学实验测量仪器中。对独立 ADC 的编程控制会比较容易，会显著降低控制软件开发成本。

第三维：分辨率与采样精度

单片机内置 ADC：绝大多数内置的 ADC 的分辨率为 8 位、10 位或 12 位，部分高端单片机提供了 16 位的 ADC，但 ADC 实际采样精度受到 MCU 内部电路设计、噪声和电源稳定性的影响，比独立的 ADC 的实际精度低。有效位数（ENOB) 明显小于标称位数(Resolution)，单片机片上 12 位 ADC 在实际工作中的有效位通常只有 10 位，甚至更低。常用于缓慢变化的模拟信号采集，而且对转换精度要求不高的应用场景，如在一些温度传感器、光敏电阻、压力传感器应用当中。

外部独立 ADC：可以提供更高的分辨率（16 位、18 位及 24 位），并且在设计上专门针对高精度信号处理，具有更好的线性度、低噪声特性和高转换精度。即使在 12 位也对MCU内置 ADC 具有很大的性能优势（ENOB>11.5b)。独立 ADC 通常用于高精度传感器、控制系统及音频信号处理等领域。

第四维：采样速率

单片机内置 ADC：一般的单片机内置 ADC 速度较慢，通常标称值可以到 1MSPS 以内，但是受单片机处理多任务时的资源限制，其实际连续采样速率远小于标称值。对于低速信号采集够用，但如果需要处理高速信号，如无线通信、音频或视频数据，会无法满足系统采样速率要求。

外部 ADC：外部独立 ADC 通常可以达到更高的采样率，如 1MSPS 或以上，甚至到1GSPS，适用于高速信号处理，如雷达、无线基站，示波器，频谱仪等应用。

第五维：抗干扰性

单片机内置 ADC：由于 ADC 内置在单片机内部，其抗干扰能力通常会受到单片机其他模块的影响，如 CPU、PWM、电源模块等。这些模块的切换和操作可能会在 ADC 工作时引入内部噪声干扰，且无法消除，显著降低 ADC 的有效位数 (ENOB)。

外部 ADC：由于其设计，制造过程更为专业，通常在芯片内部模拟和数字接口部分做了更好的隔离，抗干扰能力更强，特别是在恶劣外部干扰环境下工作时，独立 ADC 的性能优势非常明显。

第六维：灵活性

单片机内置 ADC：灵活性较低，受限于单片机内部的架构的及 pin 脚位的限制。通常适用于传感器靠近 ADC 输入脚的应用场景，也无法灵活调整通道数和分辨率。

外部 ADC：具有很高的灵活性，能够根据实际采样需求选择不同的分辨率、采样速率的ADC 进行组合。可以配置多个通道、采样率等参数，以适应复杂的数据采样需求。尤其是具有 I²C/SPI 接口的 ADC，可以将不同的 ADC 贴近各自的传感器，将模拟信号变换成数字信号之后再传输到 MCU/FPGA，有效地避免了模拟信号在传输路径中受到干扰。用同一组数字总线 SPI/IC，便于采集不同位置上的传感器信号。

经过上述对比分析，关于MCU内置ADC与外部ADC的选择，您将如何决策？