14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1324的誤差分析

　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。可提供±10V，±5V或0至+5V模擬出入范圍，可提供±16.5V的過壓保護(hù)，具有優(yōu)異的動態(tài)特性和直流精度。

　　現(xiàn)代測試系統(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調(diào)理電路的非線性以及被測試參數(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最常見的誤差源，并介紹進(jìn)行上述誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?。某些誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ɡ斫夂蛯?shí)施起來都比較容易，而有些方法則不那么顯淺易懂。如果采用方法得當(dāng)?shù)脑?，則可大幅提高系統(tǒng)整體性能。

　　1 系統(tǒng)誤差性能分析

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差是信號通道上的每個元器件所貢獻(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，我們可能會想當(dāng)然地認(rèn)為精度已經(jīng)足夠高， 但是在沒有仔細(xì)檢查其規(guī)格說明書之前，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(zhuǎn)換成以LSB為單位后得到。當(dāng)輸入電壓掃過ADC的工作范圍時，所有輸出碼組合(全“0”到全“1”)會依次出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的輸出端。這種關(guān)系稱作“無丟碼”。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，不會出現(xiàn)丟碼的現(xiàn)象，當(dāng)DNL誤差等于±1LSB時，生產(chǎn)廠商會特別聲明是否丟碼(如圖1，1LSB無丟碼，圖2，-1LSB丟10碼)；當(dāng)DNL誤差大于±1LSB時有丟碼(如圖3當(dāng) 時，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來，同系列產(chǎn)品在性能條件不同時價格相差較大，在滿足性能要求的前提下，選購低等級的ADC將大幅度節(jié)省元件成本，同時又滿足系統(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，一般采用INL誤差。INL誤差定義為轉(zhuǎn)換器測量結(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輸入電壓時或其附近時ADC產(chǎn)生的漂移。對于失調(diào)誤差的修正，可以比較容易利用微控制器(μC)或數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行修正。