提高模數轉換器的精度和降低系統的成本

前言

?? 　在數據采集系統中，模數轉換器是其中至關重要的環節，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際應用價值的標準。
　?? 一般來說，想提高模數轉換器的精度，勢必會引起成本的增加，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合，我們經常利用嵌入微控制器片內的A/D轉換器來實現模數轉換，以此來降低系統的成本，但由此又產生了另外的問題，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題。這都要求我們采取不同的措施來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不同的概念。精度是指轉換器實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、積分線性誤差、微分線性誤差、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，與信號的幅度，采樣速率無關，它只能減小而無法完全消除，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
　　偏移誤差是指實際模數轉換曲線中數字0的代碼中點與理想轉換曲線中數字0的代碼中點的最大差值電壓。這一差值電壓稱作偏移電壓，一般以滿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，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。一般來說，溫度變化較大時，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，實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。它使傳輸特性曲線繞坐標原點偏離理想特性曲線一定的角度，即增益誤差表示模數轉換特性曲線的實際斜率與理想斜率的偏差，它的數值一般用滿量程的百分比來表示。
　　ADC的理想傳輸函數的關系式是
（1）

式中Un是沒有量化時的標準模擬電壓，由于存在增益誤差，式（1）變為
（2）
式中的K為增益誤差因子。當K＝l時，沒有增益誤差。當K＞1時，傳輸特性曲線的斜率變大，臺階變窄，在輸入模擬信號達到滿量程值之前，數字輸出就己全“l”狀態。當K＜1時，傳輸特性曲線的斜率變小，臺階變寬，輸入模擬信號己超滿量程值時，數字輸出還未達到全“1”狀態輸出。
　　在一定溫度下，可通過外部電路的調整使K＝l，從而消除增益誤差。
　　1.3 線性誤差
　　線性誤差又稱積分線性誤差，是指在沒有偏移誤差和增益誤差的情況下，實際傳輸曲線與理想傳輸曲線之差。線性誤差一般不大于1／2LSB。因為線性誤差是由ADC特性隨輸入信號幅值變化而引起的，因此線性誤差是不能進行補償的，而且線性誤差的數值會隨溫度的升高而增加。
　　1.4 微分線性誤差
　　微分線性誤差是指實際代碼寬度與理想代碼寬度之間的最大偏差，以LSB為單位，微分線性誤差也常用無失碼分辨率表示。
　　由于時間和溫度的變化，電源可能會有一定的變化，有時可能是造成影響ADC精度的主要原因，因此在要求比較高的場合，必須保證電源的穩定性，使其隨溫度和時間的變化量在所允許的范圍之內，但在一般的場合，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關、采樣保持、A/D轉換、微控制器集成在一個芯片上，經常采用逐次比較型進行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。

　在實際應用中，由于輸入信號的輸出電阻不同，如果輸出電阻過大，會引起實際測量的電壓分壓過小，因而引起測量值較實際值偏小；或者由于輸入信號為雙極性模擬信號，不能直接與嵌入式微控制器相連，必須采取特殊措施，使雙極性模擬信號轉換為可以直接測量的非負單極性信號；還有如果輸入信號幅值過大，以至于超過參考電壓，也必須引入將壓環節，使輸入電壓低于參考電壓，等等，下面對以上影響逐一進行分析。
　　2.1 模擬輸入信號阻抗對采樣的影響
　　采樣過程是采樣電容充電，跟蹤輸入模擬信號電壓的過程，由于采樣電路存在模擬多路開關阻抗、采樣開關阻抗和輸入信號源阻抗，因此，其轉換時間受模擬多路開關阻抗、采樣開關阻抗與輸入信號源阻抗的影響，模擬多路開關與輸入信號源的阻抗越大則其轉換時間越長。
逐次比較型A/D的輸入端等效電路如下圖所示：

圖1 逐次比較型A/D的輸入端等效電路

　　其中，RIN為輸入模擬信號內阻，VS為輸入模擬電壓信號，RSH為模擬多路開關與采樣開關的等效電阻，VSH為采樣電容的充電電壓，由等效電路可以看出，輸入模擬信號內阻越大，則采樣電容充電時間越長，因此，對于采樣頻率要求越高的場合，要求模擬輸入信號內阻必須越小，在應用時必須首先估算在規定的采樣頻率下，對模擬輸入信號內阻的要求。由電路理論可以求得RIN所允許的最大值（假設采樣時間為T）：

　　如果信號源內阻達不到要求，則需使用一個輸出阻抗很小的緩沖器，例如可以使用電壓跟隨器，使信號源的輸出阻抗達到A/D轉換器所要求的輸入阻抗的范圍之內。
　　2.2 模擬信號極性及幅值的變換
　　在數據采集系統中，采集的模擬信號并非都是非負單極性信號，經常是雙極性信號，因此在使用嵌入式A/D轉換器的時候，需要對模擬輸入信號進行極性轉換，我們可以采用運算放大器組成的線性網絡來對其極性及幅值進行轉換，但須注意的是在引入線性網絡的同時，又引入了一定量的非線性誤差，其線性網絡原理圖可用下圖表示：

圖2 線性網絡原理圖

　　只要改變電阻R1、R2、R3的大小以及它們的比例關系便可調整模擬輸入信號的大小使其符合測量要求。
　　下面介紹一種常用的芯片AT90S8535關于其A／D轉換器使用時應該注意的情況。
　　AT90S8535是ATMEL公司生產的一款基于AVR RISC結構的，低功耗的8位單片機，其內部集成有模數轉換器，模數轉換器具有以下特點：
　　　10位分辨率；
　　　±2LSB精確度；
　　　0.5LSB集成線性度；
　　　65～260μs轉換時間；
　　　8通道；
　　　自由運行模式和單次轉換模式；
　　　ADC轉換結束中斷；
　　　休眠模式噪聲消除。

AT90S8535具有10位分辨率的逐次逼近型A／D轉換器。ADC與一個8通道模擬多路器相連，這樣就允許A口作為ADC的輸入引腳。ADC包含一個采樣保持放大器，ADC框圖如下所示：

圖3ADC框圖

　　ADC可以工作于兩種模式——單次轉換和自由運行。在單次轉換模式下，用戶必須啟動每一次轉換，而在自由運行模式下，ADC會連續采樣并更新ADC數據寄存器。ADCSR的ADFR位用于選擇A／D轉換器的運行模式。
　　由于模擬通道的轉換總是要延遲到轉換的結束，因此，自由運行模式可以用來掃描多個通道，而不中斷轉換器。一般來說，ADC轉換結束中斷用于修改通道，但需考慮一下因素；結果一旦準備好，中斷就被觸發，在自由運行模式，中斷一被觸發，則下一次轉換馬上開始。如果中斷觸發過后，模擬通道改變，而下一次轉換已經開始，則仍舊使用以前設置。
　　3.1 ADC噪聲消除技術
　　AT90S8535的內外部數字電路會產生電磁干擾，從而影響模擬測量精度。如果要求測量精度較高，則應采取如下技術以減少噪聲：
1)　　AT90S8535的模擬部分及其他的模擬器件在PCB板上要有獨立的地線層。模擬地與數字地單點相連；
2)　　使模擬信號通路盡量短。使模擬走線在模擬地上通過，并盡量保持遠離高速數字通路的走線；
3)　　AVCC要通過一個RC網絡連接到VCC；
4)　　利用ADC的噪聲消除功能減小來自CPU的噪聲；
5)　　如果A口的一些引腳作數字輸出口，則在ADC轉換過程中，這些口不要改變其狀態。
　　3.2　ADC噪聲消除功能的實現
　　ADC可以在CPU空閑模式下進行轉換，這一特征使得可以抑制來自CPU的噪聲。為了實現這一特性，需采取一下措施：
A)　　必須選擇單次轉換模式，ADC的轉換結束中斷必須使能；
ADEN=1;ADSC=0;ADFR=0;ADIE=1;
B)　　進入空閑模式。一旦CPU停止，則ADC將開始轉換；
C)　　如果在ADC轉換結束之前沒有發生其它中斷，則ADC中斷將喚醒MCU并執行ADC轉換結束中斷。
微控制器片內A/D轉換器由于自身的結構、性能特點，在許多應用中會遇到與獨立A/D轉換器不同的問題，但大多數嵌入微控制器的A/D器都具有像AT90S8535相似的結構和特點，采取的消噪技術和方法也大致相同，我們需根據具體情況具體分析需采取嵌入A/D還是獨立A/D，并根據具體需求采取必要的措施來提高A/D轉換器的精度。