AD與DA器件的精度分析

ipolo

說(shuō)精度之前，首先要說(shuō)分辨率。最近已經(jīng)有貼子熱門(mén)討論了這個(gè)問(wèn)題，結(jié)論是分辨率決不等同于精度。比如一塊精度0.2%（或常說(shuō)的準(zhǔn)確度0.2級(jí)）的四位半萬(wàn)用表，測(cè)得A點(diǎn)電壓1.0000V，B電壓1.0005V,可以分辨出B比A高0.0005V，但A點(diǎn)電壓的真實(shí)值可能在0.9980"1.0020之間不確定。

那么,既然數(shù)字萬(wàn)用表存在著精度和分辨率兩個(gè)指標(biāo)，那么,對(duì)于ADC和DAC，除了分辨率以外，也存在精度的指標(biāo)。

模數(shù)器件的精度指標(biāo)是用積分非線性度（Interger NonLiner）即INL值來(lái)表示。也有的器件手冊(cè)用 Linearity error 來(lái)表示。他表示了ADC器件在所有的數(shù)值點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的模擬值，和真實(shí)值之間誤差最大的那一點(diǎn)的誤差值。也就是，輸出數(shù)值偏離線性最大的距離。單位是LSB （即最低位所表示的量）。

比如12位ADC：TLC2543，INL值為1LSB。那么，如果基準(zhǔn)4.095V，測(cè)某電壓得的轉(zhuǎn)換結(jié)果是1000，那么，真實(shí)電壓值可能分布在 0.999"1.001V之間。對(duì)于DAC也是類似的。比如DAC7512,INL值為8LSB，那么，如果基準(zhǔn)4.095V，給定數(shù)字量1000，那么輸出電壓可能是0.992"1.008V之間。

下面再說(shuō)DNL值。理論上說(shuō)，模數(shù)器件相鄰量個(gè)數(shù)據(jù)之間，模擬量的差值都是一樣的。就相一把疏密均勻的尺子。但實(shí)際并不如此。一把分辨率1毫米的尺子，相鄰兩刻度之間也不可能都是1毫米整。那么，ADC相鄰兩刻度之間最大的差異就叫差分非線性值（Differencial NonLiner）。DNL值如果大于1，那么這個(gè)ADC甚至不能保證是單調(diào)的，輸入電壓增大，在某個(gè)點(diǎn)數(shù)值反而會(huì)減小。這種現(xiàn)象在SAR（逐位比較）型 ADC中很常見(jiàn)。

舉個(gè)例子，某12位ADC，INL=8LSB，DNL=3LSB（性能比較差），基準(zhǔn)4.095V，測(cè)A電壓讀數(shù)1000，測(cè)B電壓度數(shù)1200。那么，可判斷B點(diǎn)電壓比A點(diǎn)高197"203mV。而不是準(zhǔn)確的200mV。對(duì)于DAC也是一樣的，某DAC的DNL值3LSB。那么，如果數(shù)字量增加200，實(shí)際電壓增加量可能在197"203mV之間。很多分辨率相同的ADC，價(jià)格卻相差很多。除了速度、溫度等級(jí)等原因之外，就是INL、DNL這兩個(gè)值的差異了。比如AD574,貴得很，但它的INL值就能做到0.5LSB，這在SAR型ADC中已經(jīng)很不容易了。換個(gè)便宜的2543吧，速度和分辨率都一樣，但I(xiàn)NL值只有1"1.5LSB，精度下降了3 倍。另外，工藝和原理也決定了精度。比如SAR型ADC，由于采用了R-2R或C-2C型結(jié)構(gòu)，使得高權(quán)值電阻的一點(diǎn)點(diǎn)誤差，將造成末位好幾位的誤差。在 SAR型ADC的2^n點(diǎn)附近，比如128、1024、2048、切換權(quán)值點(diǎn)阻，誤差是最大的。1024值對(duì)應(yīng)的電壓甚至可能會(huì)比1023值對(duì)應(yīng)電壓要小。這就是很多SAR型器件DNL值會(huì)超過(guò)1的原因。但SAR型ADC的INL值都很小，因?yàn)闄?quán)值電阻的誤差不會(huì)累加。和SAR型器件完全相反的是階梯電阻型模數(shù)/數(shù)模器件。比如TLC5510、DAC7512等低價(jià)模數(shù)器件。比如7512，它由4095個(gè)電阻串聯(lián)而成。每個(gè)點(diǎn)阻都會(huì)有誤差，一般電阻誤差5%左右，當(dāng)然不會(huì)離譜到100%，更不可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)。因此這類器件的DNL值都很小,保證單調(diào)。但是，每個(gè)電阻的誤差，串聯(lián)后會(huì)累加，因此INL值很大，線性度差。

這里要提一下雙積分ADC，它的原理就能保證線性。比如ICL7135，它在40000字的量程內(nèi)，能做到0.5LSB的INL值（線性度達(dá)到 1/80000 !!）和0.01LSB的DNL值.這兩個(gè)指標(biāo)在7135的10倍價(jià)錢(qián)內(nèi)，是不容易被其他模數(shù)器件超越的。所以7135這一類雙積分ADC特別適合用在數(shù)字電壓表等需要線性誤差非常小的場(chǎng)合。

還要特別提一下基準(zhǔn)源�；鶞�(zhǔn)源是測(cè)量精度的重要保證。基準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)是溫飄，一般用ppm/K來(lái)表示。假設(shè)某基準(zhǔn)30ppm/K，系統(tǒng)在20"70度之間工作，溫度跨度50度，那么，會(huì)引起基準(zhǔn)電壓30*50=1500ppm的漂移，從而帶來(lái)0.15%的誤差。溫漂越小的基準(zhǔn)源越貴，比如30ppm/K的 431，七毛錢(qián)；20ppm/K的385，1塊5；10ppm/K的MC1403，4塊5；1ppm/K的LM399,14元；0.5ppm/K的 LM199，130元。

最后說(shuō)一下Sigma-Delta型ADC，它比較特殊，對(duì)于精度，一般用直接用線性度表示，比如0.0015%.不說(shuō)差分非線性值，而直接用有效分辨率來(lái)表示。此外，Sigma-Delta型ADC還存許多怪脾氣，難伺候。我準(zhǔn)備專門(mén)開(kāi)一個(gè)貼子介紹Sigma-Delta型ADC應(yīng)用中被忽略的重要問(wèn)題。

eric_wang

好文！長(zhǎng)知識(shí)了。

zw419404669

學(xué)習(xí)了，好東西

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復(fù)制下來(lái)！�。。。。。。。。。∥易约汉煤脤W(xué)習(xí)�。。。。。。。。。。。。�！