模數(shù)轉(zhuǎn)換器(亦稱為ADC)廣泛用于各種應(yīng)用中，尤其是需要處理模擬傳感器信號的測量系統(tǒng)，比如測量壓力、流量、速度和溫度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(僅舉數(shù)例)。一般而言，這些信號屬于時域簽名， 以脈沖或階躍函數(shù)的形式出現(xiàn)。

在任何設(shè)計中，理解這些類型應(yīng)用的總系統(tǒng)精度始終都是非常重要的，尤其是那些需要對波形中極小的靈敏度和變化進(jìn)行量化的 系統(tǒng)。理想情況下，施加于信號鏈輸入端的每一個伏特都由ADC 以數(shù)字表示一個伏特的輸出。但是，事實并非如此。所有轉(zhuǎn)換器 和信號鏈都存在與此相關(guān)的有限數(shù)量誤差。

本文描述與模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身相關(guān)的誤差。本文還將揭示轉(zhuǎn)換器內(nèi) 部的不精確性累積到何種程度即會導(dǎo)致這些誤差。定義新設(shè)計的 系統(tǒng)參數(shù)時，若測量精度極為重要，那么這些內(nèi)容對于理解如何 正確指定一個ADC有著重要作用。最后，本文將討論一個簡單的 誤差分析，幫助為設(shè)計選擇正確的轉(zhuǎn)換器。

ADC的不精確性

無論何種信號鏈，轉(zhuǎn)換器都是系統(tǒng)的基本要素。為設(shè)計選擇的任 何ADC都會決定系統(tǒng)的總精度。換言之，系統(tǒng)精度不可能高于轉(zhuǎn) 換器的最低有效位(LSB)大小。為了表明這一點，讓我們來看一個 簡短的ADC不精確性指南。

首先，注意到由于ADC不是理想的，并且分辨率有限，因此它們 在輸出端只能顯示有限數(shù)量的信息表示。表示的信息數(shù)量由轉(zhuǎn)換 器滿量程輸入除以2N表示，N為轉(zhuǎn)換器的理想位數(shù)。

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圖1. ADC量化誤差

例如，假設(shè)選擇一個12位ADC，則它可在輸出端以4096個數(shù)字表 示施加于轉(zhuǎn)換器輸入端的任何信號。這些表示信息確實存在有限 量的誤差。因此，如果12位ADC的輸入滿量程(VFS)為10 V p-p，那 么其理想情況下的LSB大小為2.44 mV p-p，精度為±1.22 mV。

公式1

而實際上，ADC是非理想的。在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部存在一定噪聲，

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甚至直流中也有噪聲。記住，1 k?電阻等效于4 nV??Hz (1 Hz帶 寬，25°C)。注意，查看12位ADC數(shù)據(jù)手冊時，SNR通常為大 約70 dB到72 dB。但是，根據(jù)下列公式，一個12位ADC理想情 況下應(yīng)當(dāng)具有74 dB：

SNR (dB) = 6.02 ×?N + 1.76

公式2

因此，實際上12位分辨率是無法達(dá)到的，因為轉(zhuǎn)換器本身存在一 定的不精確性，如圖2所示。

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圖2. ADC的不精確性

這些不精確性或誤差決定了轉(zhuǎn)換器表示信號的效率，并最終為信 號鏈所接收。失調(diào)誤差定義為傳遞函數(shù)無法通過零點的模擬值。 增益誤差是失調(diào)誤差為零時理想與實際傳遞函數(shù)之間的滿量程數(shù) 值之差。通常意義上的線性度誤差或非線性度是指零電平與滿量 程之間的直線偏差，如圖1所示。

有關(guān)ADC不精確性的更多信息

對最基本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差進(jìn)行定義并有所了解后，再說明這些 誤差的區(qū)別會有些幫助。大部分ADC的失調(diào)和增益都存在這種小 誤差，通常可以忽略或通過外部模擬電路調(diào)節(jié)(消除)，或者采用 數(shù)字技術(shù)校正。然而，諸如線性度、量化和溫度系數(shù)等其他誤差 無法輕易調(diào)節(jié)或消除。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器線性度只與轉(zhuǎn)換器自身有關(guān)，即取決于架構(gòu)和工藝變 化。有很多方法可以校正，但都很昂貴。設(shè)計人員有兩種選擇： 購買更好、成本更高的轉(zhuǎn)換器，或采用數(shù)字手段校正線性度。數(shù) 字校正的成本也十分高昂。這意味著可能需要更多資源來指定 DSP或FPGA，因為線性度會隨溫度和工藝的變化而改變。根據(jù)采 樣速率、IF和分辨率，數(shù)字校正可能需要廣泛的特性表述和查找 表，以便即時校正或調(diào)節(jié)ADC的性能。

線性度有兩種類型的誤差：它們是差分非線性和積分非線性， 通常分別稱為DNL和INL。DNL定義為偏離理想值的一切誤差或偏 差。換言之，它表示兩個相鄰代碼的模擬差與理想代碼值VFS/2N 之間的偏差。可將其看作與ADC的SNR性能相關(guān)的因素。隨著代 碼的偏差越來越大，轉(zhuǎn)換數(shù)也隨之下降。該誤差在溫度范圍內(nèi)的 界限為±0.5 LSB，可保證無失碼。