摘要：許多工程師會在設計中遇到一些很微妙的問題：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）未必意味著你的系統將具有12位的精度。很多時候，令工程師們吃驚和不解的是：數據采集系統所表現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現，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計上，同時，試投產的日程在迅速臨近。問題出在哪里？ 最初的分析中有那些因素發生了改變？ 對于ADC的性能指標有一個深入的了解，將有助于發現一些經常導致性能指標不盡人意的細節所在。對于ADC指標的理解還有助于為你的設計選擇正確的ADC。

我們從建立整個系統的性能需求入手，系統中的每個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是信號通道的關鍵部件，必須謹慎選擇適當的器件。在我們開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足系統要求。ADC的精度與幾項關鍵規格有關，其中包括：積分非線性（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。

系統要求

確定系統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的誤差項。當所有誤差不相干時這種方法最準確（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。可以根據誤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，很難找到簡捷的、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10位的精度（1/210），這樣，只有選擇一個具有更高分辨率的轉換器才有意義。如果是一個12位的轉換器，我們可能會想當然地以為精度已足夠高；但是在沒有仔細檢查其規格書之前，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（假設失調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

微分非線性

雖說不被作為一項關鍵性的ADC參數，微分非線性（DNL）誤差還是進入我們視野的第一項指標。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沒有被我們看作關鍵參數的原因所在。一個性能優良的ADC常常聲稱“無丟碼”。這就是說當輸入電壓掃過輸入范圍時，所有輸出碼組合都會依次出現在轉換器輸出端。當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，當最大DNL誤差值為±1時，大多數ADC都會特別聲明是否有丟碼。由于制造時的測試界限實際上要比規格書中所規定的更為嚴格，因此這種情況下通常都能夠保證沒有丟碼。對于一個大于-1LSB （圖1d中為-1.5LSB）的DNL，器件就會有丟碼。

圖1a. DNL誤差：沒有丟碼。

圖1b. DNL誤差：沒有丟碼。

圖1c. DNL誤差：丟失10碼。

圖1d. DNL誤差：AIN*數字輸入是三種可能數值之一，掃描到輸入電壓時，10碼將會丟失。

隨著DNL誤差值的偏移（也就是說-1LSB，+2LSB），ADC轉換函數會發生變化。偏移了的DNL值理論上仍然可以沒有丟碼。關鍵是要以-1LSB作為底限。值得注意的是DNL在一個方向上進行測量，通常是沿著轉換函數向上走。將造成碼［N］跳變所需的輸入電壓值和碼［N+1］時相比較。如果相差為1LSB，DNL誤差就為零。如果大于1LSB，則DNL誤差為正值；如果小于1LSB，DNL誤差則為負值。

有丟碼并非一定是壞事。如果你只需要13位分辨率，同時你有兩種選擇，一個是DNL指標≤ ±4LSB的16位ADC （相當于無丟碼的14位），價格為5美元，另一個是DNL ≤ ±1LSB的16位ADC，價格為15美元，這時候，購買一個低等級的ADC將大幅度地節省你的元件成本，同時又滿足了你的系統要求。

積分非線性

積分非線性（INL）定義為DNL誤差的積分，因此較好的INL指標意味著較好的DNL。INL誤差告訴設計者轉換器測量結果距離理想轉換函數值有多遠。繼續我們的舉例，對于一個12位系統來講，±2LSB的INL誤差相當于2/4096或0.05%的最大非線性誤差（這已占去ADC誤差預算的2/3）。因此，有必要選用一個1LSB （或更好）的器件。對于±1LSB的INL誤差，等效精度為0.0244%，占ADC誤差預算的32.5%。對于0.5LSB的指標，精度為0.012%，僅占ADC誤差預算的16% （0.0125%/0.075%）。需要注意的是，無論是INL或DNL帶來的誤差，都不太容易校準或修正。