摘要：許多工程師會(huì)在設(shè)計(jì)中遇到一些很微妙的問(wèn)題：ADC的規(guī)格常常低于系統(tǒng)要求的指標(biāo)。本文介紹了如何根據(jù)系統(tǒng)需求合理選擇ADC，列舉了ADC測(cè)量中可能遇到的各種誤差源。

采用12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）未必意味著你的系統(tǒng)將具有12位的精度。很多時(shí)候，令工程師們吃驚和不解的是：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所表現(xiàn)出的性能往往遠(yuǎn)低于期望值。如果這個(gè)問(wèn)題直到樣機(jī)運(yùn)行時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，只好慌慌張張地改用更高性能的ADC，大量的時(shí)間被花費(fèi)在重新更改設(shè)計(jì)上，同時(shí)，試投產(chǎn)的日程在迅速臨近。問(wèn)題出在哪里？ 最初的分析中有那些因素發(fā)生了改變？ 對(duì)于ADC的性能指標(biāo)有一個(gè)深入的了解，將有助于發(fā)現(xiàn)一些經(jīng)常導(dǎo)致性能指標(biāo)不盡人意的細(xì)節(jié)所在。對(duì)于ADC指標(biāo)的理解還有助于為你的設(shè)計(jì)選擇正確的ADC。

我們從建立整個(gè)系統(tǒng)的性能需求入手，系統(tǒng)中的每個(gè)元器件都有相應(yīng)的誤差，我們的目標(biāo)是將整體誤差限定在一定的范圍內(nèi)。ADC是信號(hào)通道的關(guān)鍵部件，必須謹(jǐn)慎選擇適當(dāng)?shù)钠骷?。在我們開(kāi)始評(píng)估整體性能之前，假設(shè)ADC的轉(zhuǎn)換效率、接口、供電電源、功耗、輸入范圍以及通道數(shù)均滿足系統(tǒng)要求。ADC的精度與幾項(xiàng)關(guān)鍵規(guī)格有關(guān)，其中包括：積分非線性（INL）、失調(diào)和增益誤差、電壓基準(zhǔn)的精度、溫度效應(yīng)、交流特性等。最好從直流特性入手評(píng)估ADC的性能，因?yàn)锳DC的交流參數(shù)測(cè)試存在多種非標(biāo)準(zhǔn)方法，基于直流特性比較容易對(duì)兩個(gè)IC進(jìn)行比較。直流特性通常比交流特性更能反映器件的問(wèn)題。

系統(tǒng)要求

確定系統(tǒng)整體誤差的常見(jiàn)方法有兩種：均方根和（RSS）、最差工作條件下的測(cè)試。采用RSS時(shí)，對(duì)每項(xiàng)誤差取平均，然后求和并計(jì)算開(kāi)方值。RSS誤差由下式計(jì)算：

其中EN代表某個(gè)特定電路元件或參數(shù)的誤差項(xiàng)。當(dāng)所有誤差不相干時(shí)這種方法最準(zhǔn)確（實(shí)際情況可能如此，也可能不同）。利用最差條件分析法，所有誤差項(xiàng)相加。這種方法能夠確保誤差植不會(huì)超出規(guī)定范圍，它給出了最差條件下的誤差限制，實(shí)際誤差始終小于該值（通常會(huì)低出若干倍）。

多數(shù)情況下，測(cè)量誤差介于兩種方法測(cè)試數(shù)值之間，更接近于RSS法提供的數(shù)值?？梢愿鶕?jù)誤差預(yù)算選擇使用典型誤差和最差工作條件下的誤差。具體選擇時(shí)取決于許多因素，包括：測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)方差、特定參數(shù)的重要性、誤差之間的相互影響程度等。由此可見(jiàn)，很難找到簡(jiǎn)捷的、必需遵循的規(guī)則。在我們的分析中，我們選擇最差條件測(cè)試法。

在本例中，假定我們需要0.1%或者說(shuō)10位的精度（1/210），這樣，只有選擇一個(gè)具有更高分辨率的轉(zhuǎn)換器才有意義。如果是一個(gè)12位的轉(zhuǎn)換器，我們可能會(huì)想當(dāng)然地以為精度已足夠高；但是在沒(méi)有仔細(xì)檢查其規(guī)格書(shū)之前，我們并沒(méi)有把握得到12位的性能（實(shí)際情況可能更好或更糟）。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)具有4LSB積分非線性誤差的12位ADC，最多只能提供10位的精度（假設(shè)失調(diào)和增益誤差已得到修正）。一個(gè)具有0.5LSB INL的器件則可提供0.0122%的誤差或13位的精度（消除了增益及失調(diào)誤差以后）。要計(jì)算最佳精度，可用最大INL誤差除以2N，其中N是轉(zhuǎn)換器位數(shù)。在我們的舉例中，若采用0.075%誤差（或11位）的ADC，則留給其余電路的誤差余量只有0.025%，這其中包括傳感器、前端信號(hào)調(diào)理電路（運(yùn)放、多路復(fù)用器等等），或許還有數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、PWM信號(hào)或信號(hào)通路上的其它模擬電路。

我們假設(shè)整體系統(tǒng)的總計(jì)誤差預(yù)算基于信號(hào)通道各個(gè)電路元件的誤差項(xiàng)目總和，另外我們還假設(shè)，將要測(cè)量的是一個(gè)緩慢變化的直流、雙極性輸入信號(hào)，具有1kHz的帶寬，工作溫度范圍為0°C到70°C，并在0°C至50°C范圍內(nèi)保證性能。

直流性能

微分非線性

雖說(shuō)不被作為一項(xiàng)關(guān)鍵性的ADC參數(shù)，微分非線性（DNL）誤差還是進(jìn)入我們視野的第一項(xiàng)指標(biāo)。DNL揭示了一個(gè)輸出碼與其相鄰碼之間的間隔。這個(gè)間隔通過(guò)測(cè)量輸入電壓的幅度變化，然后轉(zhuǎn)換為以LSB為單位后得到（圖1）。值得注意的是INL是DNL的積分，這就是為什么DNL沒(méi)有被我們看作關(guān)鍵參數(shù)的原因所在。一個(gè)性能優(yōu)良的ADC常常聲稱“無(wú)丟碼”。這就是說(shuō)當(dāng)輸入電壓掃過(guò)輸入范圍時(shí)，所有輸出碼組合都會(huì)依次出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器輸出端。當(dāng)DNL誤差小于±1LSB時(shí)就能夠保證沒(méi)有丟碼（圖1a）。圖1b、圖1c和圖1d分別顯示了三種DNL誤差值。DNL為-0.5LSB時(shí)（圖1b），器件保證沒(méi)有丟碼。若該誤差值等于-1LSB （圖1c），器件就不能保證沒(méi)有丟碼，值得注意的是10碼丟失。然而，當(dāng)最大DNL誤差值為±1時(shí)，大多數(shù)ADC都會(huì)特別聲明是否有丟碼。由于制造時(shí)的測(cè)試界限實(shí)際上要比規(guī)格書(shū)中所規(guī)定的更為嚴(yán)格，因此這種情況下通常都能夠保證沒(méi)有丟碼。對(duì)于一個(gè)大于-1LSB （圖1d中為-1.5LSB）的DNL，器件就會(huì)有丟碼。

圖1a. DNL誤差：沒(méi)有丟碼。

圖1b. DNL誤差：沒(méi)有丟碼。

圖1c. DNL誤差：丟失10碼。

圖1d. DNL誤差：AIN*數(shù)字輸入是三種可能數(shù)值之一，掃描到輸入電壓時(shí)，10碼將會(huì)丟失。

隨著DNL誤差值的偏移（也就是說(shuō)-1LSB，+2LSB），ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)會(huì)發(fā)生變化。偏移了的DNL值理論上仍然可以沒(méi)有丟碼。關(guān)鍵是要以-1LSB作為底限。值得注意的是DNL在一個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，通常是沿著轉(zhuǎn)換函數(shù)向上走。將造成碼［N］跳變所需的輸入電壓值和碼［N+1］時(shí)相比較。如果相差為1LSB，DNL誤差就為零。如果大于1LSB，則DNL誤差為正值；如果小于1LSB，DNL誤差則為負(fù)值。

有丟碼并非一定是壞事。如果你只需要13位分辨率，同時(shí)你有兩種選擇，一個(gè)是DNL指標(biāo)≤ ±4LSB的16位ADC （相當(dāng)于無(wú)丟碼的14位），價(jià)格為5美元，另一個(gè)是DNL ≤ ±1LSB的16位ADC，價(jià)格為15美元，這時(shí)候，購(gòu)買一個(gè)低等級(jí)的ADC將大幅度地節(jié)省你的元件成本，同時(shí)又滿足了你的系統(tǒng)要求。

積分非線性

積分非線性（INL）定義為DNL誤差的積分，因此較好的INL指標(biāo)意味著較好的DNL。INL誤差告訴設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)換器測(cè)量結(jié)果距離理想轉(zhuǎn)換函數(shù)值有多遠(yuǎn)。繼續(xù)我們的舉例，對(duì)于一個(gè)12位系統(tǒng)來(lái)講，±2LSB的INL誤差相當(dāng)于2/4096或0.05%的最大非線性誤差（這已占去ADC誤差預(yù)算的2/3）。因此，有必要選用一個(gè)1LSB （或更好）的器件。對(duì)于±1LSB的INL誤差，等效精度為0.0244%，占ADC誤差預(yù)算的32.5%。對(duì)于0.5LSB的指標(biāo)，精度為0.012%，僅占ADC誤差預(yù)算的16% （0.0125%/0.075%）。需要注意的是，無(wú)論是INL或DNL帶來(lái)的誤差，都不太容易校準(zhǔn)或修正。