嵌入式模數轉換器的原理及應用

前言
　在數據采集系統中，模數轉換器是其中至關(guān)重要的環(huán)節，模數轉換器的精度以及系統的成本直接影響到系統的實(shí)用性，因此，如何提高模數轉換器的精度和降低系統的成本是衡量系統是否具有實(shí)際應用價(jià)值的標準。
　一般來(lái)說(shuō)，想提高模數轉換器的精度，勢必會(huì )引起成本的增加，這就要求我們按照具體的精度要求合理的設計模數轉換器，來(lái)達到具體的要求和降低系統的成本。在精度要求不是很高的場(chǎng)合，我們經(jīng)常利用嵌入微控制器片內的A/D轉換器來(lái)實(shí)現模數轉換，以此來(lái)降低系統的成本，但由此又產(chǎn)生了另外的問(wèn)題，嵌入式模數轉換器是否具有所要求的精度，若超出測量范圍如何與測量電路進(jìn)行接口，以及如何減小微控制器的電磁干擾提高嵌入式模數轉換器的精度問(wèn)題。這都要求我們采取不同的措施來(lái)提高嵌入式模數轉換器的精度。
　　1 精度與分辨率
　　ADC的精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉換器實(shí)際值與理論值之間的偏差；分辨率是指轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。ADC 分辨率的高低取決于位數的多少。一般來(lái)講，分辨率越高，精度也越高，但是影響轉換器精度的因素很多，分辨率高的ADC，并不一定具有較高的精度。精度是偏移誤差、增益誤差、積分線(xiàn)性誤差、微分線(xiàn)性誤差、溫度漂移等綜合因素引起的總誤差。因量化誤差是模擬輸入量在量化取整過(guò)程中引起的，因此，分辨率直接影響量化誤差的大小，量化誤差是一種原理性誤差，只與分辨率有關(guān)，與信號的幅度，采樣速率無(wú)關(guān)，它只能減小而無(wú)法完全消除，只能使其控制在一定的范圍之內，一般在±1／2LSB范圍內。
　　1.1 偏移誤差
　　偏移誤差是指實(shí)際模數轉換曲線(xiàn)中數字0的代碼中點(diǎn)與理想轉換曲線(xiàn)中數字0的代碼中點(diǎn)的最大差值電壓。這一差值電壓稱(chēng)作偏移電壓，一般以滿(mǎn)量程電壓值的百分數表示。在一定溫度下，多數轉換器可以通過(guò)對外部電路的調整，使偏移誤差減小到接近于零，但當溫度變化時(shí)，偏移電壓又將出現，這主要是由于輸入失調電壓及溫漂造成的。一般來(lái)說(shuō)，溫度變化較大時(shí)，要補償這一誤差是很困難的。
　　1.2 增益誤差
　　增益誤差是轉換器輸出全“1”時(shí)，實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。它使傳輸特性曲線(xiàn)繞坐標原點(diǎn)偏離理想特性曲線(xiàn)一定的角度，即增益誤差表示模數轉換特性曲線(xiàn)的實(shí)際斜率與理想斜率的偏差，它的數值一般用滿(mǎn)量程的百分比來(lái)表示。
　　ADC的理想傳輸函數的關(guān)系式是
（1）

式中Un是沒(méi)有量化時(shí)的標準模擬電壓，由于存在增益誤差，式（1）變?yōu)?
（2）
式中的K為增益誤差因子。當K＝l時(shí)，沒(méi)有增益誤差。當K＞1時(shí)，傳輸特性曲線(xiàn)的斜率變大，臺階變窄，在輸入模擬信號達到滿(mǎn)量程值之前，數字輸出就己全“l(fā)”狀態(tài)。當K＜1時(shí)，傳輸特性曲線(xiàn)的斜率變小，臺階變寬，輸入模擬信號己超滿(mǎn)量程值時(shí)，數字輸出還未達到全“1”狀態(tài)輸出。
　　在一定溫度下，可通過(guò)外部電路的調整使K＝l，從而消除增益誤差。
　　1.3 線(xiàn)性誤差
　　線(xiàn)性誤差又稱(chēng)積分線(xiàn)性誤差，是指在沒(méi)有偏移誤差和增益誤差的情況下，實(shí)際傳輸曲線(xiàn)與理想傳輸曲線(xiàn)之差。線(xiàn)性誤差一般不大于1／2LSB。因為線(xiàn)性誤差是由ADC特性隨輸入信號幅值變化而引起的，因此線(xiàn)性誤差是不能進(jìn)行補償的，而且線(xiàn)性誤差的數值會(huì )隨溫度的升高而增加。
　　1.4 微分線(xiàn)性誤差
　　微分線(xiàn)性誤差是指實(shí)際代碼寬度與理想代碼寬度之間的最大偏差，以L(fǎng)SB為單位，微分線(xiàn)性誤差也常用無(wú)失碼分辨率表示。
　　由于時(shí)間和溫度的變化，電源可能會(huì )有一定的變化，有時(shí)可能是造成影響ADC精度的主要原因，因此在要求比較高的場(chǎng)合，必須保證電源的穩定性，使其隨溫度和時(shí)間的變化量在所允許的范圍之內，但在一般的場(chǎng)合，往往可以不考慮其對系統的影響。
　　2 嵌入式模數轉換器的結構及影響轉換的原因和消除方法
　　所謂嵌入式模數轉換器是指將模擬多路開(kāi)關(guān)、采樣保持、A/D轉換、微控制器集成在一個(gè)芯片上，經(jīng)常采用逐次比較型進(jìn)行A/D轉換，模擬輸入信號一般為非負單極性，且輸入信號的電壓范圍為0～AVREF，A/D轉換器具有獨立的模擬電源與參考電壓。