误差对系统性能的影响

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1、误差对系统性能的影响本文介绍了如何根据系统需求合理选择ADC,列举了 ADC测量中可能遇到的各 种误差源。采用12位分辨率的模数转换器（ADC）未必意味着你的系统将具有12位 的精度。很多时候，令工程师们吃惊和不解的是：数据采集系统所表现出的性能 往往远低于期望值。如果这个问题直到样机运行时才被发现，只好慌慌张张地改 用更高性能的ADC，大量的时间被花费在重新更改设计上，同时，试投产的日 程在迅速临近。问题出在哪里？最初的分析中有那些因素发生了改变？对于 ADC的性能指标有一个深入的了解，将有助于发现一些经常导致性能指标不尽 人意的细节所在。对于ADC指标的理解还有助于为你的设计选择正确的AD

2、C。我们从建立整个系统的性能需求入手，系统中的每个元器件都有相应的误 差，我们的目标是将整体误差限定在一定的范围内。ADC是信号通道的关键部 件，必须谨慎选择适当的器件。在我们开始评估整体性能之前，假设ADC的转 换效率、接口、供电电源、功耗、输入范围以及通道数均满足系统要求。ADC 的精度与几项关键规格有关，其中包括：积分非线性（NL）、失调和增益误差、 电压基准的精度、温度效应、交流特性等。最好从直流特性入手评估ADC的性 能，因为ADC的交流参数测试存在多种非标准方法，基于直流特性比较容易对 两个IC进行比较。直流特性通常比交流特性更能反映器件的问题。系统要求确定系统整体误差的常见方法有

3、两种：均方根和（RSS）、最差工作条件下 的测试。采用RSS时，对每项误差取平均，然后求和并计算开方值。RSS误差 由下式计算：Totd eti-oi =+ E23 +E3- + . + E7C） 其中EN代表某个特定电路元件或参数的误差项。当所有误差不相干时这种 方法最准确（实际情况可能如此，也可能不同）。利用最差条件分析法，所有误 差项相加。这种方法能够确保误差植不会超出规定范围，它给出了最差条件下的 误差限制，实际误差始终小于该值（通常会低出若干倍）。多数情况下，测量误差介于两种方法测试数值之间，更接近于RSS法提供 的数值。可以根据误差预算选择使用典型误差和最差工作条件下的误差。具体选

4、 择时取决于许多因素，包括：测量值的标准方差、特定参数的重要性、误差之间 的相互影响程度等。由此可见，很难找到简捷的、必需遵循的规则。在我们的分 析中，我们选择最差条件测试法。在本例中，假定我们需要0.1%或者说10位的精度（1/210），这样，只有 选择一个具有更高分辨率的转换器才有意义。如果是一个12位的转换器，我们 可能会想当然地以为精度已足够高；但是在没有仔细检查其规格书之前，我们并 没有把握得到12位的性能（实际情况可能更好或更糟）。举例来说，一个具有 4LSB积分非线性误差的12位ADC，最多只能提供10位的精度（假设失调和 增益误差已得到修正）。一个具有0.5LSB INL的器件

5、则可提供0.0122%的误差 或13位的精度（消除了增益及失调误差以后）。要计算最佳精度，可用最大INL 误差除以2N，其中N是转换器位数。在我们的举例中，若采用0.075%误差（或 11位）的ADC，贝V留给其余电路的误差余量只有0.025%，这其中包括传感器、 前端信号调理电路（运放、多路复用器等等），或许还有数模转换器（DAC）、 PWM信号或信号通路上的其它模拟电路。我们假设整体系统的总计误差预算基于信号通道各个电路元件的误差项目 总和，另外我们还假设，将要测量的是一个缓慢变化的直流、双极性输入信号， 具有1kHz的带宽，工作温度范围为0P到70OC，并在0P至50OC范围内保 证性能

6、。直流性能微分非线性虽说不被作为一项关键性的ADC参数，微分非线性（DNL）误差还是进入 我们视野的第一项指标。DNL揭示了一个输出码与其相邻码之间的间隔。这个 间隔通过测量输入电压的幅度变化，然后转换为以LSB为单位后得到（图1）。 值得注意的是INL是DNL的积分，这就是为什么DNL没有被我们看作关键参数 的原因所在。一个性能优良的ADC常常声称“无丢码”。这就是说当输入电压扫 过输入范围时，所有输出码组合都会依次出现在转换器输出端。当DNL误差小 于1LSB时就能够保证没有丢码（图1a）。图1b、图1c和图1d分别显示了 三种DNL误差值。DNL为-0.5LSB时（图1b），器件保证没有

7、丢码。若该误差 值等于-1LSB （图1c），器件就不能保证没有丢码，值得注意的是10码丢失。 然而，当最大DNL误差值为1时，大多数ADC都会特别声明是否有丢码。由 于制造时的测试界限实际上要比规格书中所规定的更为严格，因此这种情况下通 常都能够保证没有丢码。对于一个大于-1LSB （图1d中为-1.5LSB）的DNL， 器件就会有丢码。10in图1a. DNL误差：没有丢码。图1b. DNL误差：没有丢码。图1c. DNL误差：丢失10码。100 nscom电齧战烧僉DNI -Q.Q L5B 5“ (GITAL CODE116 $ANALOG 3NPUT (V)ANALOG ENPUT V

8、)elefancam 电孑盘烧丈OIGHAL cooe蚀LE甜酗 =-1 LSODIGITALCOOE11 -id -dn广*=.amrelpcfans*com电孑嵐烧支cooe11 -叩一=1TiANALOG INPUT (V)图1d. DNL误差：AIN*数字输入是三种可能数值之一，扫描到输入电压时, 10码将会丢失。随着DNL误差值的偏移（也就是说-1LSB, +2LSB）, ADC转换函数会发 生变化。偏移了的DNL值理论上仍然可以没有丢码。关键是要以-1LSB作为底 限。值得注意的是DNL在一个方向上进行测量，通常是沿着转换函数向上走。 将造成码N跳变所需的输入电压值和码N+1 时相

9、比较。如果相差为1LSB, DNL误差就为零。如果大于1LSB,则DNL误差为正值；如果小于1LSB, DNL 误差则为负值。有丢码并非一定是坏事。如果你只需要13位分辨率，同时你有两种选择， 一个是DNL指标S 4LSB的16位ADC （相当于无丢码的14位），价格为5 美元，另一个是DNL S 1LSB的16位ADC，价格为15美元，这时候，购买 一个低等级的ADC将大幅度地节省你的元件成本，同时又满足了你的系统要求。积分非线性积分非线性（INL）定义为DNL误差的积分，因此较好的INL指标意味着 较好的DNL。INL误差告诉设计者转换器测量结果距离理想转换函数值有多远。 继续我们的举例，

10、对于一个12位系统来讲，2LSB的INL误差相当于2/4096 或0.05%的最大非线性误差（这已占去ADC误差预算的2/3）。因此，有必要 选用一个1LSB （或更好）的器件。对于1LSB的INL误差，等效精度为0.0244%, 占ADC误差预算的32.5%。对于0.5LSB的指标，精度为0.012%，仅占ADC 误差预算的16% （0.0125%/0.075%）。需要注意的是，无论是INL或DNL带 来的误差，都不太容易校准或修正。失调和增益误差失调和增益误差很容易利用微控制器（UC）或数字信号处理器（DSP）修 正过来。就失调误差来讲，如果转换器允许双极性输入信号的话，操作将非常简 单。

11、对于双极性系统，失调误差只是平移了转换函数，但没有减少可用编码的数 量（图2）。有两套方法可以使双极性误差归零。其一，你可以将转换函数的x 或y轴平移，使负满度点与单极性系统的零点相对准（图3a）。利用这种方法,可以简单地消除失调误差，然后，通过围绕“新”零点旋转转换函数可以对增益误 差进行调节。第二种技术采用了一种迭代法。首先给ADC输入施加一个0V电 压并执行一次转换；转换结果反映了双极性零点失调误差。然后，通过围绕负满 度点旋转转换曲线实现增益调节（图3b）。注意此时转换函数已绕A点转过一 定角度，使零点偏离了期望的转换函数。因此还需要进一步的失调误差校正。-FS+ Qnsel+FS +

12、 OFfsetIT鬲 ADC An訓旳 Inpul RangeDIGITAL _ CODElopul Range lor ADC withOffsetANALOG INPUT (V)NOTt: S = uli Scaleelpcfanscam 电&域挠支Shifted ADC Transfer Function Du电to 除护five Oti轻t图2.双极性系统的失调误差图3a和3b.校正双极性失调误差（注意：阶梯状转换函数已被一条直线取 代，因为该图中包含所有码，而台阶已经小得无法分辨，看上去成为一条直线）。Ideal ADC M AXESeiecfansc口m 电刍奴挽欢ANALOG I

13、NPUT (V)Y DIGITAL CODE ADC Tracer FuncEion du AXES 翊沖 Gain -Er 删 Calibratedhi酋钢 Mgastire(E Bipolar Zqfq Error Inidat ADC TracerFunclion (x, y AXES)图3a和3b.校正双极性失调误差（注意：阶梯状转换函数已被一条直线取 代，因为该图中包含所有码，而台阶已经小得无法分辨，看上去成为一条直线）。图3a和3b.校正双极性失调误差(注意：阶梯状转换函数已被一条直线取 代，因为该图中包含所有码，而台阶已经小得无法分辨，看上去成为一条直线)。单极性系统还要复杂一些

14、。如果失调为正值，可采用和双极性系统相似的处 理方法。不同之处在于你将失去一部分ADC量程(见图4)。如果失调为负值， 你将无法简单地通过一次转换测得失调误差。因为在零点以下，转换器只能显示 出零。这样，对于一个负失调误差的转换器，你必须缓慢地增加输入电压，以确 定在什么地方ADC结果出现首次跳变。同样，你将失去一部分ADC量程。H 出淖 1 ADCInstil.DGfTAL COOEADC wllhRange for ADC with Posllive CnlastUnused Armlog iRput flange Duo to PoiiliveErrorUnuMd Analog Due

15、la NegativeAnalog input（V）NOTE: FS = Full Scabff图4.单极性系统中的失调误差回到我们的举例，两种情况中的失调误差可按下述方法获得：2.5V基准时+8mV的失调误差相当于12位ADC具有13LSB的误差(8mV/2.5V/4096)。虽然分辨率仍是12位，但是你必须从每次转换结果中扣除 13个码以补偿失调误差。值得注意的是，实际上这时的可测量满量程值就变为 了 2.5V (4083/4096) = 2.492V。此范围以上的任何值都会使ADC溢出。因 此, ADC的动态范围或者说输入范围减小了。这个问题在较高分辨率的ADC中 尤为显著；在16位系统

16、中，8mV对应于210LSB (VREF = 2.5V)。如果失调为-8mV (假设为单极性输入)，接近于零的小信号输入将不会引 起任何输出变化，一直到模拟输入增加到+8mV。这同样造成了 ADC动态范围 的减小。增益误差定义为满量程误差减去失调误差（图5）。满量程误差在转换函数 曲线上最后一次ADC跳变处进行测量，并和理想ADC的转换函数相比较。增 益误差可通过软件用一个简单的线性函数y = （m1/m2） （x）进行简单的校正， 其中的ml是理想转换函数的斜率，m2是实际测得的转换函数的斜率（图5）。图5.失调、增益和满量程误差增益误差指标中可能包含或不含ADC参考电压对于误差的贡献。在电

17、气规 范中，检查一下增益误差的测试条件，并决定采用内部或外部基准工作是非常重 要的。一般情况下，当采用片内基准时增益误差会比较大。如果增益误差为零， 在对满量程模拟输入作转换时转换结果应为全1 （对于本例的12位系统则为 3FFh）（见图6）。由于我们的转换器不理想，全1转换结果可能会在施加 的输入电压大于满量程（负增益误差）或小于满量程（正增益误差）时出现。有 两种办法可以调整增益误差，其一是调节参考电压，以便在某特定参考电压下得 到满量程输出，或者在软件中采用一个线性校正曲线改变ADC转换函数的斜率 （一阶线性方程或查表法）。Negatiuie Gain ErrorAMALOG 3NPUT

18、 (VDiGITAL CO&EFslttve Gain Err?rUNUSED ANALOG INPUT RANGEFOR POSJT1VE GAEN ERRUK. -NOTE; Ffi = FUtl Staleelj&cfansS_R451UOZ3H11J站起TEMPER应Qerfw时囲的阴电5T*图7.电压基准温漂要求和ADC分辨率的关系对有些系统来讲，参考电压的精度不是一个大问题，因为温度被保持于恒定, 避免了温度漂移问题。还有一些系统采用一种比例测量方式，用同一个信号激励 传感器和作为参考电压，可以消除基准引起的误差（图8）。因为激励源和基准 同时漂移，漂移误差相互抵消。图8比例式AD

19、C转换在其它系统中，采用补偿手段消除基准漂移通常也很有效。另外也有一些系 统并不关注绝对精度，而注重于相对精度。这样的系统允许基准随着时间缓慢漂 移，同时又能够提供期望的精度。电压噪声另外一个重要指标是电压噪声。它通常规定为RMS值或峰-峰值。要估计 它对于性能的影响，需要将RMS值转换为峰-峰值。如果一个2.5V基准在输出 端具有500V的峰-峰电压噪声(或83pV RMS)，该噪声会带来0.02%的误 差，或将系统性能限制于仅12位，而且这还没考虑任何其它的转换器误差。理 想情况下，基准的噪声应该远低于一个LSB，这样才不至于限制ADC的性能 发挥。带有片内基准的ADC通常都不规定电压噪声

20、，这样就将确定误差的任务 留给了用户。如果你的设计没有达到预期性能，而你又正在使用内置基准，可尝 试采用一个高性能的外部基准，这样你就可以确定造成性能下降的真正元凶是否 是内部基准。负载调整最后一项指标是基准的负载调整。用于ADC的电压基准通常具有足够的电 流可用于驱动其它器件，因此有时也被其它IC使用。其它元件的吸取电流会影 响到电压基准，也就是说随着吸取电流的增大，参考电压会跌落。如果使用基准 的器件被间歇性地打开和关闭，将会导致参考电压随之上升或下降。如果一个 2.5V基准的负载调整率指标为0.55pV/pA，那就意味着当有另外一个器件吸取 800pA电流时，参考电压将会改变多达440V

21、,这将带来0.0176%的误差 (440V/2.5V)，或占去现有误差余量的几乎20%。其它温度效应接下来继续讨论温度相关的问题，另外还有两项指标通常很少有人关注，那 就是失调漂移和增益漂移。这两项指标一般只给出典型数值，用户只能自己判断 它是否足以满足系统要求。失调和增益的漂移可采用多种不同方法加以补偿。一个办法是仔细测出失调和增益漂移的完整数据，并在存储器中建立一个表格，然 后随着温度的变化调节测量值。然而，这是一项繁重的任务，因为每个ADC必 须单独补偿，而且补偿工序非常费时。第二个办法是只在温度发生显著变化时才 执行校准。对于那些只作一次性温度校准的系统，需要重点留意一下漂移指标。如果

22、已 校准了初始失调但温度又发生了改变，因漂移的关系又会引入新的误差，这使校 准的效果被减弱。例如，假设在温度X下进行了一次转换。随后的某个时间， 温度变化了 10OC，又作了完全相同的另一次测量。两次读取的转换结果会有差 异，这会使用户对系统的可重复性也就是可靠性产生怀疑。有很多原因促使制造商没有给出最大界限。其中之一便是成本的增加。漂移 测试需要特殊的平台，并且还要在测试流程中增加额外的工序（这将导致额外的 制造成本），以确保所有器件不超出最大漂移界限。增益漂移的问题更多，尤其是对于那些采用内部基准的器件。这时候，基准 的漂移可以一并包含于增益漂移参数中。当采用外部基准时，IC的增益漂移一

23、般比较小，比如0.8ppm/C。这样，10OC的温度变化将会造成士8ppm的漂移。 举例来讲，12位性能等价于244ppm （1/4096 = 0.0244% = 244ppm）。因此, 8ppm的漂移所造成的误差远低于12位系统中的一个LSB。交流特性有些ADC只在输入信号接近于直流时能很好地工作。另外一些则能很好地 处理从直流到Nyquist特频率的信号。仅有DNL和INL符合系统要求并不能说 明转换器能够同样合格地处理交流信号。DNL和INL是在直流测试的。要掌握 其交流性能就必须了解交流指标。在产品规格书中有电气参数表和典型工作特 性，从中你可以找到有关交流性能的线索。需要考察的关键指

24、标有信号-噪声比 （SNR），信号一噪声加失真比（SINAD），总谐波失真（THD），以及无杂散 动态范围（SFDR）。首先我们来看一看SINAD或SNR。SINAD定义为输入正 弦波信号的RMS值与转换器噪声的RMS值（从直流到Nyquist特频率，包括 谐波总谐波波失真成分）。谐波发生于输入频率的倍数位（图9）。SNR 类似于SINAD，只是它不包含谐波成分。因此，SNR总是好于SINAD。SINAD 和SNR 一般以dB为单位。SIK_AD= 6.02 一 156 （dB）（2）其中N是转换器的位数。对于理想的12位转换器，SINAD为74dB。这个 方程可重写为N的表达式，新的表达式揭

25、示了能够获得的信息的位数与RMS噪 声的函数关系：-120(HpjLJCInl一 Da这个方程就是等效位数的定义，即ENOB。佃时胸酯就FREQUENte(faflSOm 峻& 减烧血图9. FFT图显示出ADC的交流性能值得注意的是SINAD和输入频率有关。随着频率向Nyquist上限逼近， SINAD逐渐下降。如果规格书中的指标是在相对于Nyquist频率较低的频率下 测得，在接近Nyquist频率时性能有可能变得很差。在规格书中的典型工作特性 中可以找到ENOB曲线，可以观察到随着频率的增加ENOB下降，主要是由于 随着输入频率的增加THD逐渐变差。例如，如果在感兴趣的频率SINAD的最

26、 小值为68dB，那么你可获得的ENOB值为11。也就是说，由于转换器的噪声 和失真，你丢失了 1位信息。这也意味着你的12位转换器最多只能达到0.05% 的精度。记住INL是一项直流指标；ENOB是一项有关转换器对于交流信号的 非线性性能指标。SNR是不考虑失真成分的信号 噪声比。SNR反映了转换器的噪声背景。 随着输入频率的增加SNR可能会急剧下降，这说明该转换器不是为该频率的应 用而设计。改善SNR的一个办法是过采样，这种方法提供了一定的处理增益。 过采样以远高于信号频率的速度进行采样，以此来降低转换器的噪声背景。这种 方法将噪声谱扩展到更宽的频域内，这样就有效降低了一定频段内的噪声。两

27、倍 率的过采样可将噪声背景降低3dB。SFDR定义为FFT图中，频域内输入正弦波的RMS值与最高的杂散信号的 RMS值之比，一般以dB为单位。对于某些要求ADC动态范围尽可能大的通信 应用，SFDR尤为重要。杂散信号妨碍了 ADC对于小输入信号的转换，因为失 真信号可能会比有用信号大很多。这就限制了 ADC的动态范围。频域内出现一 个大的杂散信号可能对SNR不会有明显影响，但会显著影响SFDR。小结回到我们一开始的ADC举例，假设我们将要测量直流型的信号，并且要求 ADC可接受双极性输入信号，我们选择B档的MAX1241，它具有1LSB的DNL 误差,1LSB 的 DNL 误差(0.0244%

28、)，3LSB 的失调误差(3/4096 = 0.0732%), 以及4LSB的增益误差(0.0977%)。所有误差相加，我们得到总误差为0.1953%。 我们可以校正失调和增益误差，使总误差下降到0.0244%。只要参考电压误差 低于0.075% - 0.024% = 0.051%，就不会突破我们的误差预算。5ppm/oC的温 漂系数在50OC的温度范围内会产生0.025%的漂移误差，这样还剩下0.026%的 误差余量。要得到12位的性能，我们需要选用一个电压噪声指标低于1LSB的 电压基准(这相当于2.5V/4096 = 610pV峰峰值或102pV RMS值)。温度系数 5ppm/oC，宽

29、带电压噪声30pV RMS的MAX6166是一个很好的选择。它还具 有充足的供出及吸纳电流的能力，足以驱动ADC (和其它电路)。30pV噪声 指标等价于180pV峰峰值，只有12位级别下一个LSB的三分之一，11位级别 下(我们系统的实际要求)一个LSB的六分之一。再检查一下MAX1241的增益漂移,资料显示该项指标为0.25ppm/oC,50oC 温度范围内为12.5ppm，能够很好地满足我们的设计要求。现在，我们就得到了一个可行的方案，再也不会出现由于对规格的考虑不周 而造成的性能折扣。在本例中我们没有涉及交流性能。然而，正确理解ADC的 技术指标，以及它们如何对转换器的性能产生作用，无疑将使你具备足够的知识， 能够从众多产品中选择出满足你性能要求的适当的ADC。