理解ADC誤差對系統(tǒng)性能的影響（一）

摘要：許多工程師會在設(shè)計中遇到一些很微妙的問題：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)出的性能往往遠低于期望值。如果這個問題直到樣機運行時才被發(fā)現(xiàn)，只好慌慌張張地改用更高性能的ADC，大量的時間被花費在重新更改設(shè)計上，同時，試投產(chǎn)的日程在迅速臨近。問題出在哪里？ 最初的分析中有那些因素發(fā)生了改變？ 對于ADC的性能指標(biāo)有一個深入的了解，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。對于ADC指標(biāo)的理解還有助于為你的設(shè)計選擇正確的ADC。

我們從建立整個系統(tǒng)的性能需求入手，系統(tǒng)中的每個元器件都有相應(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?。在我們開始評估整體性能之前，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估ADC的性能，因為ADC的交流參數(shù)測試存在多種非標(biāo)準(zhǔn)方法，基于直流特性比較容易對兩個IC進行比較。直流特性通常比交流特性更能反映器件的問題。

系統(tǒng)要求

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

其中EN代表某個特定電路元件或參數(shù)的誤差項。當(dāng)所有誤差不相干時這種方法最準(zhǔn)確（實際情況可能如此，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超出規(guī)定范圍，它給出了最差條件下的誤差限制，實際誤差始終小于該值（通常會低出若干倍）。

多數(shù)情況下，測量誤差介于兩種方法測試數(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。具體選擇時取決于許多因素，包括：測量值的標(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，很難找到簡捷的、必需遵循的規(guī)則。在我們的分析中，我們選擇最差條件測試法。

在本例中，假定我們需要0.1%或者說10位的精度（1/210），這樣，只有選擇一個具有更高分辨率的轉(zhuǎn)換器才有意義。如果是一個12位的轉(zhuǎn)換器，我們可能會想當(dāng)然地以為精度已足夠高；但是在沒有仔細(xì)檢查其規(guī)格書之前，我們并沒有把握得到12位的性能（實際情況可能更好或更糟）。舉例來說，一個具有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、前端信號調(diào)理電路（運放、多路復(fù)用器等等），或許還有數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、PWM信號或信號通路上的其它模擬電路。

我們假設(shè)整體系統(tǒng)的總計誤差預(yù)算基于信號通道各個電路元件的誤差項目總和，另外我們還假設(shè)，將要測量的是一個緩慢變化的直流、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(nèi)保證性能。

直流性能

微分非線性

雖說不被作為一項關(guān)鍵性的ADC參數(shù)，微分非線性（DNL）誤差還是進入我們視野的第一項指標(biāo)。DNL揭示了一個輸出碼與其相鄰碼之間的間隔。這個間隔通過測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沒有被我們看作關(guān)鍵參數(shù)的原因所在。一個性能優(yōu)良的ADC常常聲稱“無丟碼”。這就是說當(dāng)輸入電壓掃過輸入范圍時，所有輸出碼組合都會依次出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器輸出端。當(dāng)DNL誤差小于±1LSB時就能夠保證沒有丟碼（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（圖1b），器件保證沒有丟碼。若該誤差值等于-1LSB （圖1c），器件就不能保證沒有丟碼，值得注意的是10碼丟失。然而，當(dāng)最大DNL誤差值為±1時，大多數(shù)ADC都會特別