0 引言
MAX1324是MAXIM公司生產(chǎn)14位,，8通道,，同步采樣ADC轉(zhuǎn)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(hù),，具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性和直流精度。
現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)和現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中,，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是不可或缺的元器件之一,。由于ADC的廣泛應(yīng)用，一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都由傳感器電路和ADC構(gòu)成,。但很多時(shí)候,，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所表現(xiàn)的性能往往低于預(yù)期值。出現(xiàn)這種情況,，人們首先考慮的原因是傳感器和信號(hào)調(diào)理電路的非線性以及被測(cè)試參數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,。但實(shí)際上，ADC的性能指標(biāo)也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能下降的重要原因,。
本文的目的是解釋 A/D 轉(zhuǎn)換器MAX1324最常見(jiàn)的誤差源,，并介紹進(jìn)行上述誤差補(bǔ)償的方法。某些誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ɡ斫夂蛯?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(dāng)?shù)脑挘瑒t可大幅提高系統(tǒng)整體性能,。
1 系統(tǒng)誤差性能分析
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差是信號(hào)通道上的每個(gè)元器件所貢獻(xiàn)的誤差項(xiàng)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(xiàng),。作為具體分析，假定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(zhuǎn)換器，我們可能會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為精度已經(jīng)足夠高,， 但是在沒(méi)有仔細(xì)檢查其規(guī)格說(shuō)明書(shū)之前,，我們并不能保證該轉(zhuǎn)換器就具有l(wèi)2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(shù)轉(zhuǎn)換器的直流性能包括微分非線性,、積分非線性,、失調(diào)和增益誤差以及其它誤差。模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般以LSB為單位提供各種誤差,。其相應(yīng)關(guān)系可以表示為：ERR=LSB／2n
其中,，n為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)，LSB為以LSB為單位的最大誤差,，ERR為以百分號(hào)為單位的誤差,。
2．1 微分非線性
微分非線性(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(cè)量輸入電壓的幅度變化,，然后轉(zhuǎn)換成以LSB為單位后得到,。當(dāng)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(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的輸出端,。這種關(guān)系稱作“無(wú)丟碼”,。但實(shí)際上由于器件的微分非線性，常常出現(xiàn)以下幾種情況,。當(dāng)DNL誤差小于±1LSB時(shí),，不會(huì)出現(xiàn)丟碼的現(xiàn)象，當(dāng)DNL誤差等于±1LSB時(shí),，生產(chǎn)廠商會(huì)特別聲明是否丟碼(如圖1,，1LSB無(wú)丟碼，圖2,，-1LSB丟10碼),；當(dāng)DNL誤差大于±1LSB時(shí)有丟碼(如圖3當(dāng) 時(shí)，可能為01,，l0,，ll碼)。微分非線性(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?yàn)橐话阏f(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，在滿足性能要求的前提下,，選購(gòu)低等級(jí)的ADC將大幅度節(jié)省元件成本,，同時(shí)又滿足系統(tǒng)要求,。
2．2 積分非線性
積分非線性(INL)定義為微分非線性(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(zhuǎn)換器測(cè)量結(jié)果與理想轉(zhuǎn)換函數(shù)的差。其相應(yīng)關(guān)系可以表示為：
ERR=LSB／2n
積分非線性(INL) 誤差各種表示之間的關(guān)系如表2:
表2 積分非線性(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(diào)和增益誤差
失調(diào)誤差也稱為零漂,，是指系統(tǒng)在0V輸入電壓時(shí)或其附近時(shí)ADC產(chǎn)生的漂移。對(duì)于失調(diào)誤差的修正,，可以比較容易利用微控制器(μC)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行修正,。
我們以MAX1324為例說(shuō)明失調(diào)誤差與輸入電壓的關(guān)系。MAX1324的失調(diào)誤差為±3LSB,，相當(dāng)于±0.9155mV的輸入電壓誤差(以5V為基準(zhǔn)作參考電壓),，在進(jìn)行失調(diào)誤差修正時(shí)必須于扣除3個(gè)碼以補(bǔ)償失調(diào)電壓，而在失調(diào)誤差為+3LSB時(shí)滿量程電壓值就變成了4.0845V,，超過(guò)上述電壓值就會(huì)產(chǎn)生溢出現(xiàn)象,；在失調(diào)誤差為-3LSB時(shí)，假設(shè)對(duì)于單極性輸入,，在0～0.9155mV之間,，輸出均為零，直到0.9155mV時(shí)才出現(xiàn)第一次跳變,，這同樣使ADC動(dòng)態(tài)范圍變小了,。
公式進(jìn)行修正： ，其中m1為理想轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率,m2為實(shí)例轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率,?？梢允褂谜{(diào)試的方法對(duì)增益誤差進(jìn)行修正，將參考電壓和輸入模擬電壓進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試,，當(dāng)參考電壓為某一特定值時(shí)可以使?jié)M量程輸出全“l”,，從而達(dá)到修正增益誤差的效果；也可在軟件中采用一個(gè)線性校正曲線改變ADC 轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率,。
總之,， 對(duì)于失調(diào)誤差和增益誤差可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)誤差正的修。
2．4 基準(zhǔn)
無(wú)論是內(nèi)部基準(zhǔn)或者外部基準(zhǔn),，它都是ADC的一個(gè)最大的潛在誤差源,。在很多情況下內(nèi)置于芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)源都沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)格，而外部基準(zhǔn)往往需要精密電源,，與基準(zhǔn)有關(guān)的誤差源包括溫漂,、電壓噪聲以及負(fù)載調(diào)整等。
在實(shí)用的ADC系統(tǒng)中，還有一些誤差源,， 如碼源噪聲,、失調(diào)溫漂、增益漂移,， 它們?cè)谀撤N條件下,，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，但只要采用適當(dāng)?shù)氖侄尉涂梢允瓜鄳?yīng)誤差最小,，進(jìn)而不會(huì)影響系統(tǒng)精度,。
3 交流特性
在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，很多情況下輸入模擬信號(hào)是交流信號(hào),。僅有DNL和INL符合系統(tǒng)要求并不能說(shuō)明ADC能同樣合格地處理交流信號(hào),。因?yàn)镈NL和INL是在直流條件下測(cè)試的。ADC系統(tǒng)中的交流信號(hào)指標(biāo)差要有信一噪比(SNR),、信號(hào)--噪聲+失真比(SINAD),、總諧波失真(THD)以及無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)：
信一噪比（SNR）：是以分貝表示的比率，它是輸入信號(hào)的有效值與所有頻率小于采樣頻率一半的其他頻譜成份（不包括諧波或直流信號(hào)）的總有效值之比,。
信號(hào)--噪聲加+失真比（SINAD）：是以分貝表示的輸出端出現(xiàn)的輸入信號(hào)有效值與輸出信號(hào)當(dāng)中頻率小于采樣頻率一半的所有其他頻譜成份的有效值之比,。
總諧波失真(THD): 是以分貝表示的輸出信號(hào)的頭幾個(gè)諧波成份的有效值之和與輸出端出現(xiàn)的輸入信號(hào)的幅度之比。測(cè)量中僅包括奈奎斯特頻限內(nèi)的諧波,，典型值以分貝表示,。
無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)： 正弦波f(IN) 的RMS值與在頻域觀察到的雜散信號(hào)的RMS值之比，典型值以分貝表示,。在ADC系統(tǒng)中,，SINAD比SNR更準(zhǔn)確描述被測(cè)信號(hào)與雜散信號(hào)的關(guān)系，大多數(shù)ADC列出SINAD而不采用SNR,。對(duì)于一個(gè)理想的ADC：
SINAD≈(6.02×N+1.76)dB
其中N為轉(zhuǎn)換器的位數(shù),。所以理想的14為轉(zhuǎn)換器的SINAD為86.04dB。而對(duì)上式進(jìn)行變換可得：
N=(SINAD-1.76)／6.02
這個(gè)方程式為等效位數(shù)的定義,，即ENOB(Effective Number of Bits),。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)我們關(guān)注SINAD為最小值時(shí)的等效位數(shù)，該位數(shù)是信號(hào)頻率逐漸逼近Nyquist上限時(shí),，SINAD因THD的增加而達(dá)到的極限值,。以MAX1324為例，其極限值為70dB,，等效位數(shù)為14位,，即有0.7LSB的誤差或0.017的精度。
4 應(yīng)用分析
假設(shè)我們的系統(tǒng)允許0.1%的誤差,，且ADC允許0.075％的誤差,，并且假設(shè)我們需要測(cè)試的直流信號(hào),。如果我們選用MAX1324，其具有±1LSB的DNL誤差,，±1.5LSB的INL誤差(0.0366％),，±3LSB的失調(diào)誤差(0.0732％)，±4LSB的增益誤差(0.0977％),，5ppm／℃的溫漂系數(shù),，在50℃的范圍內(nèi)產(chǎn)生0.025％的誤差，共計(jì)0.0616％的誤差,。還有0.0134％的誤差供基準(zhǔn)電壓源使用,，該誤差允許存在67μV的峰-峰值電壓噪聲(5V基準(zhǔn)電壓)，若考慮負(fù)載(ADC)電流對(duì)基準(zhǔn)的影響,，其電壓噪聲會(huì)略小,。在這種情況下，基準(zhǔn)電壓源可以滿足上述條件,，而且也有比較多的選擇余地。
以上例子我們沒(méi)有討論交流性能,。若在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中交流信號(hào)是被測(cè)信號(hào),，還必須考慮交流信號(hào)的誤差，并作進(jìn)一步的分析,。
5 結(jié)束語(yǔ)
一個(gè)性能良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅僅是設(shè)計(jì)原理的優(yōu)化及其實(shí)現(xiàn)方法,，系統(tǒng)的誤差分析是設(shè)計(jì)成本和性能指標(biāo)的必要前提條件。只有充分考慮系統(tǒng)各部分的誤差才能使系統(tǒng)更好地滿足設(shè)計(jì)性能要求,。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文以MAX1324為例,對(duì)較高精度的A/D在實(shí)際使用時(shí)出現(xiàn)的誤差和誤差源進(jìn)行了分析和說(shuō)明,并結(jié)合試驗(yàn)論述了一些誤差補(bǔ)償?shù)目尚行?。在?shí)際使用中可大幅提高系統(tǒng)的整體性能。
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