吴星华

   本文主要对影响系统性能的ADC的各误差指标作分析及其选择与应用作出判断。

   采用12位分辨率的模拟-数字转换器(ADC)未必意味看你的系统将具有12位的精度。很多时候，令工程师们吃惊和不解的是，数据采集系统所表现出的性能往往远低于期望值。如果这个问题直到样机运行时才被发观，那是措手不及，只好慌忙地改用更高性能的ADC，那大量的时间被花费在重新更改设计上，同时，试投产的日程在迅速临近。问题出在哪里?最初的分析中有那些因素发生了改变?要有一个正确答案，就必须对ADC的性能指标有一个深人的了解，才能有助于发观一些经常导致性能指标不尽人意的细节所在。对于ADC指标的理解还有助于你为你的设计选择正确的ADC。

系统要求

    可以设想，整个系统的误差可以看作是信号通路上每个电路元素所贡献的误差项的总和。因此总误差的均方根值可由下式给出：

    其中EN代表某个特定电路元件的误差项。在本例中，假定我们需要0.1%或者说10位的精度，这样，只有选择一个具有更高分辨率的转换器才有意义。如果是一个12位的转换器，可能会想当然地以为精度已足够高；但是在没有仔细检查其规格书之前，并没有把握得到12位的性能。举例来说，一个具有4 LSB(最小有效位)积分非线性误差(1NL)的12位ADC，最多只能提供10位的精度(假设失调和增益误差已得到修正)。一个具有0.5LSB的INL的器件则可提供0.0122%的误差或13位的精度(消除了增益及失调误差以后)。要计算最佳精度，可用最大INL误差除以2N，其中N是转换器位数。该举例中，若采用0.075%误差(或11位)的ADC，则留给其余电路的误差余量只有0.025%，这其中包括传感器、前端信号调理电路(运放、多路复用器等等)或许还有数字—模拟转换器(DAC)、PWM信号或信号通路上的其它模拟电路。

    另外还假设，将要测量的是一个缓慢变化的、直流型的双极性输入信号，具有1kHz的带宽，工作温度范围为0℃到+70℃，并在0℃至+50℃范围内保证性能.

    直流性能

    微分非线性

    虽说微分非线性不被作为一项关键性的ADC参数，微分非线性(DNL)误差还是进入视野的第一项指标。DNL揭示了一个输出码与其相邻码之间的间隔。这个间隔通过测量输入电压的幅度变化，然后转换为以LSB(最小有效位)为单位后得到。INL是DNL的积分，这就是为什么DNL没有被我们看作关键参数的原因所在。一个性能优良的ADC常常声称“无丢码”。这就是说当输入电压扫过输入范围时，所有输出码组合都会依次出现在转换器输出端。当DNL误差小于引LSB时就能够保证没有丢码。DNL为-0.5LSB时，器件保证没有丢码。若该误差值等于-1LSB，器件就不能保证没有丢码(10码丢失)。然而，当最大DNL误差值为±1LSB时，大多数ADC都会特别声明是否有丢码。由于制造时的测试界限实际上要比规格书中所规定的更为严格，因此这种情况下通常都能够保证没有丢码。对于一个大于-1LSB的DNL，器件就会有丢码。

    随着DNL误差值的偏移(也就是说-1LSB，+2LSB)，ADC转换函数会发生变化。偏移了的DNL值理论上仍然可以没有丢码。关键是要以-1LSB作为底限。DNL在一个方向上进行测量，通常是沿着转换函数向上走。将造成码〔N〕跳变所需的输入电压值和码〔N+1〕时相比较。如果相差为1LSB，DNL误差就为零。如果大于1LSB，则DNL误差为正值；如果小于1LSB，DNL误差则为负值。

    有丢码并非一定是坏事。如果你只需要13位分辨率，同时你有两种选择，一个是DNL指标≤±4LSB的16位ADC(相当于无丢码的14位)，价格为5美元，另一个是DNL≤±1LSB的16位ADC，价格为15美元，这时候，购买一个低等级的ADC将大幅度地节省你的元件成本，同时又满足了你的系统要求。

    积分非线性

    积分非线性(1NL)定义为DNL误差的积分。INL误差告诉设计者转换器测量结果距离理想转换函数值有多远。举例，对于一个12位系统来讲，+2LSB的INL误差相当于2/4096或0.05%的最大非线性误差(这已占去ADC误差预算的2/3)。因此，有必要选用一个1LSB(或更好)的器件。对于+ILSB的INL误差，等效精度为0.0244%，占ADC误差预算的32.5%。对于0.5LSB的指标，精度为0.012%，仅占ADC误差预算的16%(0.0125%／0.075%)。需要注意的是，无论是1NL或DNL带来的误差，都不太容易校准或修正。

    失调和增益误差

    失调和增益误差很容易利用微控制器(μC)或数字信号处理器(DSP)修正过来。就失调误差来讲，如果转换器允许双极性输入信号的话，操作将非常简单。对于双极性系统，失调误差只是平移了转换函数，但没有减少可用编码的数量(图1)。

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