理解ADC誤差對系統性能的影響（一）

摘要：許多工程師會(huì )在設計中遇到一些很微妙的問(wèn)題：ADC的規格常常低于系統要求的指標。本文介紹了如何根據系統需求合理選擇ADC，列舉了ADC測量中可能遇到的各種誤差源。

采用12位分辨率的模數轉換器（ADC）未必意味著(zhù)你的系統將具有12位的精度。很多時(shí)候，令工程師們吃驚和不解的是：數據采集系統所表現出的性能往往遠低于期望值。如果這個(gè)問(wèn)題直到樣機運行時(shí)才被發(fā)現，只好慌慌張張地改用更高性能的ADC，大量的時(shí)間被花費在重新更改設計上，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？ 對于A(yíng)DC的性能指標有一個(gè)深入的了解，將有助于發(fā)現一些經(jīng)常導致性能指標不盡人意的細節所在。對于A(yíng)DC指標的理解還有助于為你的設計選擇正確的ADC。

我們從建立整個(gè)系統的性能需求入手，系統中的每個(gè)元器件都有相應的誤差，我們的目標是將整體誤差限定在一定的范圍內。ADC是信號通道的關(guān)鍵部件，必須謹慎選擇適當的器件。在我們開(kāi)始評估整體性能之前，假設ADC的轉換效率、接口、供電電源、功耗、輸入范圍以及通道數均滿(mǎn)足系統要求。ADC的精度與幾項關(guān)鍵規格有關(guān)，其中包括：積分非線(xiàn)性（INL）、失調和增益誤差、電壓基準的精度、溫度效應、交流特性等。最好從直流特性入手評估ADC的性能，因為ADC的交流參數測試存在多種非標準方法，基于直流特性比較容易對兩個(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。

系統要求

確定系統整體誤差的常見(jiàn)方法有兩種：均方根和（RSS）、最差工作條件下的測試。采用RSS時(shí)，對每項誤差取平均，然后求和并計算開(kāi)方值。RSS誤差由下式計算：

其中EN代表某個(gè)特定電路元件或參數的誤差項。當所有誤差不相干時(shí)這種方法最準確（實(shí)際情況可能如此，也可能不同）。利用最差條件分析法，所有誤差項相加。這種方法能夠確保誤差植不會(huì )超出規定范圍，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）。

多數情況下，測量誤差介于兩種方法測試數值之間，更接近于RSS法提供的數值?？梢愿鶕`差預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：測量值的標準方差、特定參數的重要性、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、必需遵循的規則。在我們的分析中，我們選擇最差條件測試法。

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換器才有意義。如果是一個(gè)12位的轉換器，我們可能會(huì )想當然地以為精度已足夠高；但是在沒(méi)有仔細檢查其規格書(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(xiàn)性誤差的12位ADC，最多只能提供10位的精度（假設失調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（消除了增益及失調誤差以后）。要計算最佳精度，可用最大INL誤差除以2N，其中N是轉換器位數。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、前端信號調理電路（運放、多路復用器等等），或許還有數模轉換器（DAC）、PWM信號或信號通路上的其它模擬電路。

我們假設整體系統的總計誤差預算基于信號通道各個(gè)電路元件的誤差項目總和，另外我們還假設，將要測量的是一個(gè)緩慢變化的直流、雙極性輸入信號，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范圍內保證性能。

直流性能

微分非線(xiàn)性

雖說(shuō)不被作為一項關(guān)鍵性的ADC參數，微分非線(xiàn)性（DNL）誤差還是進(jìn)入我們視野的第一項指標。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)測量輸入電壓的幅度變化，然后轉換為以L(fǎng)SB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)鍵參數的原因所在。一個(gè)性能優(yōu)良的ADC常常聲稱(chēng)“無(wú)丟碼”。這就是說(shuō)當輸入電壓掃過(guò)輸入范圍時(shí)，所有輸出碼組合都會(huì )依次出現在轉換器輸出端。當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，當最大DNL誤差值為±1時(shí)，大多數ADC都會(huì )特別