14位模數轉換器MAX1324的誤差分析

　0 引言

　　MAX1324是MAXIM公司生產(chǎn)14位，8通道，同步采樣ADC轉換器?？商峁?plusmn;10V，±5V或0至+5V模擬出入范圍，可提供±16.5V的過(guò)壓保護，具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性和直流精度。

　　現代測試系統和現代工業(yè)應用系統中，模數轉換器(ADC)是不可或缺的元器件之一。由于A(yíng)DC的廣泛應用，一般數據采集系統都由傳感器電路和ADC構成。但很多時(shí)候，數據采集系統所表現的性能往往低于預期值。出現這種情況，人們首先考慮的原因是傳感器和信號調理電路的非線(xiàn)性以及被測試參數的穩定性和準確性。但實(shí)際上，ADC的性能指標也是數據采集系統性能下降的重要原因。

　　本文的目的是解釋 A/D 轉換器MAX1324最常見(jiàn)的誤差源，并介紹進(jìn)行上述誤差補償的方法。某些誤差補償的方法理解和實(shí)施起來(lái)都比較容易，而有些方法則不那么顯淺易懂。如果采用方法得當的話(huà)，則可大幅提高系統整體性能。

　　1 系統誤差性能分析

　　數據采集系統的誤差是信號通道上的每個(gè)元器件所貢獻的誤差項的總和。因此總誤差的均方根可由下式給出： 。其中，E 代表某個(gè)特定元器件的誤差項。作為具體分析，假定數據采集系統允許0.1％的誤差或者說(shuō)需要l0位的精度。在這種情況下，如果采用l0位分辨率的ADC顯然是不合要求的。如果采用l2位的轉換器，我們可能會(huì )想當然地認為精度已經(jīng)足夠高， 但是在沒(méi)有仔細檢查其規格說(shuō)明書(shū)之前，我們并不能保證該轉換器就具有l2位的性能(實(shí)際情況可能更好或者更糟)。

　　2 ADC直流性能分析

　　模數轉換器的直流性能包括微分非線(xiàn)性、積分非線(xiàn)性、失調和增益誤差以及其它誤差。模數轉換器一般以L(fǎng)SB為單位提供各種誤差。其相應關(guān)系可以表示為：ERR=LSB／2n

　　其中，n為模數轉換器的轉換位數，LSB為以L(fǎng)SB為單位的最大誤差，ERR為以百分號為單位的誤差。

　　2．1 微分非線(xiàn)性

　　微分非線(xiàn)性(DNL)誤差揭示的是一個(gè)輸出碼與其相鄰碼之間的間隔。這個(gè)間隔通過(guò)測量輸入電壓的幅度變化，然后轉換成以L(fǎng)SB為單位后得到。當輸入電壓掃過(guò)ADC的工作范圍時(shí)，所有輸出碼組合(全“0”到全“1”)會(huì )依次出現在轉換器的輸出端。這種關(guān)系稱(chēng)作“無(wú)丟碼”。但實(shí)際上由于器件的微分非線(xiàn)性，常常出現以下幾種情況。當DNL誤差小于±1LSB時(shí)，不會(huì )出現丟碼的現象，當DNL誤差等于±1LSB時(shí)，生產(chǎn)廠(chǎng)商會(huì )特別聲明是否丟碼(如圖1，1LSB無(wú)丟碼，圖2，-1LSB丟10碼)；當DNL誤差大于±1LSB時(shí)有丟碼(如圖3當 時(shí)，可能為01，l0，ll碼)。微分非線(xiàn)性(DNL)誤差與丟碼之間的關(guān)系如表1：

表1 誤差與丟碼之間的關(guān)系

　　而MAX1324的DNL誤差為±1LSB，聲明為無(wú)丟碼，所以具有14位精度。

　　在一定條件下可以允許丟碼的存在。因為一般說(shuō)來(lái)，同系列產(chǎn)品在性能條件不同時(shí)價(jià)格相差較大，在滿(mǎn)足性能要求的前提下，選購低等級的ADC將大幅度節省元件成本，同時(shí)又滿(mǎn)足系統要求。

　　2．2 積分非線(xiàn)性

　　積分非線(xiàn)性(INL)定義為微分非線(xiàn)性(DNL)誤差的積分。在實(shí)際分析ADC精度時(shí)，一般采用INL誤差。INL誤差定義為轉換器測量結果與理想轉換函數的差。其相應關(guān)系可以表示為：

ERR=LSB／2n

　　積分非線(xiàn)性(INL) 誤差各種表示之間的關(guān)系如表2:

表2 積分非線(xiàn)性(INL)誤差各種表示之間的關(guān)系

　　而MAX1324的INL誤差為±1.5LSB，聲明為無(wú)丟碼(14位精度)，則它的分辨率誤差是：ERR=LSB/2 =1.5/2 =0.0091552% 。

　　2．3 失調和增益誤差

　　失調誤差也稱(chēng)為零漂，是指系統在0V輸入電壓時(shí)或其附近時(shí)ADC產(chǎn)生的漂移。對于失調誤差的修正，可以比較容易利用微控制器(μC)或數字信號處理器(DSP)進(jìn)行修正。