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A/D转换器--ADC选型参数

时间:2020-01-07 00:39来源:海猎人

A/D转换器

4.2.1 ADC选型参数

ADC是一个将模拟信号变成量化数值的测量类IC,因此,所有影响到转换偏差的参数都是关键参数。其中比较关键的是精度和分辨率。

精度是用来描述物理量的准确程度的;分辨率是用来描述刻度划分的。分辨率高并不代表精度也高。例如数字温度传感器AD7416,有10位的A/D转换器,分辨率是1/1024,可测量温度范围0100A/D转换器--ADC选型参数 - 海猎网-海猎人≈0.098。貌似很高的精度,但是在数据手册里,测量精度写的是0.25。这是为什么呢?

跟精度有关的有两个很重要的指标是微分非线性度(DifferencialNonLinerDNL)和积分非线性度(IntergerNonLinerINL,精度主要用这个值来表示)。它表示了ADC元器件在所有的数值点上对应的模拟值里,和真实值之间误差最大的那一点的误差值,即:输出数值偏离线性最大的距离,单位是LSB(即最低位所表示的量)。

有的A/D转换器,如Δ-∑系列,也用线性度偏差(LinearityError)来表示精度。

分辨率同为12bit的两个ADC,一个INL=±3LSB,而另一个做到了±1.5LSB,价格可能相差一倍甚至更多。

LSBLeastSignificantBit,最低有效位);MSBMostSignificantBit,最高有效位),若MSB=1,则表示数据为负值,若MSB=0,则表示数据为正。LSB这一术语有着特定的含义,它表示的既是A/D转换器结果中数字流的最后一位,也是组成满量程输入范围的最小单位。对于12位转换器来说,LSB的值相当于模拟信号满量程输入范围除以212=4096的商。对于满量程输入为5V的情况,一个12位转换器对应的LSB大小为A/D转换器--ADC选型参数 - 海猎网-海猎人。如果失调误差=±3LSB=±3.66mV,增益误差=±5LSB=±6.1mV,则ADC转换引入的误差最大为9.76mV。编码的总误差为+8LSB=((+3LSB失调误差)++5LSB增益误差)),12ADC的输出编码为04088,丢失的编码为40884095,相对于满量程这一误差为A/D转换器--ADC选型参数 - 海猎网-海猎人

当选择模数转换器(ADC)时,增益误差=±5LSB,其含义是什么?由此参数可知,测量的最大偏差为±5LSB,这属于精度的内容,但分辨率仍然是12位。

电路的前端放大/信号调理部分通常会产生比ADC本身更大的误差,因此,为确保A/D转换器结果的准确性,首先要关注的是放大电路的精确度,然后才是A/D转换器的精度问题。

A/D转换器误差的来源总结起来,有如下5类。

1)零刻度误差

作为一个理想的A/D转换器,以3ADC为例,从000111,总共分成了8段。当输入值达到总量程的1/8量化区间时,应该输出“001”。但实际上,A/D的转换需要一定的电压阈值来触发,这个阈值的大小就是零刻度误差,或零刻度偏置误差。如图4-6中圆圈处所示。

2)满量程误差

作为一个理想的A/D转换器,当输入的模拟值达到时,数字输出达到最大,即“111”。其中G表示转换器增益,表示A/D转换器的参考电压,或称为比较电压,n表示精度,即A/D转换器的输出位数。而在实际情况下,使A/D转换器达到最大输出的模拟输入值与这个理想值存在一定偏差,这个偏差即被称作满量程误差,如图4-7所示。

3)增益误差

增益误差可以理解为零刻度误差的另外一种表达方式,它是指对实际A/D曲线进行平移,使其零刻度误差为零,此时的满量程误差即被称作增益误差,如图4-8所示。

4)微分非线性误差

微分非线性误差描述了实际A/D曲线与理想A/D曲线之间,引起数字输出值变化的模拟输入量宽度的差异。例如对于3A/D转换器,理想的情况下应该是模拟输入量每增加1/8量化区间,就触发一个数字输出值的增加,而实际情况中,可能不到1/8或者超过1/8个量化区间才触发一个数字输出值的增加,如图4-9所示。

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5)代码缺失误差

代码缺失误差,有的时候随着模拟输入的增加,数字输出出现了阶跃,即跨过了某个值。这时,这个被跨过的值即被认为是缺失的,这样产生的误差称作代码缺失误差,如图4-10所示。

综合考虑了以上的A/D转换器误差之后,下面逐一分析ADC元器件的参数。以ADC0809CCN8通道,8位,多通道ADC)为例来对参数进行逐一解释。仅将理解及设计上容易忽视、容易出错的、重要的核心参数逐一解释,其他本节未讲述的参数,并非不重要,而是因为比较好理解,而未做特殊说明。

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1)供电电压

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供电电压范围4.56.0V,最大不超过6.5V。在ADC的内部,电源UCCGnd,有一个稳压管,雪崩击穿电压为DC7V

PCB布线时,须特别注意,ADC的接地布线宜采用单点并联接地方式,即AGnd直接连到电源的PGnd,而且这根连线要尽可能短宽;DGnd也直接连到电源的PGnd。二者不可有公共的对PGnd回流路径,不然会产生共地阻抗耦合干扰,从而带来较大误差。

2)分辨率:8

分辨率不等同于精度。

10A/D转换器,分辨率是1/1024。如果用于测量温度0100A/D转换器--ADC选型参数 - 海猎网-海猎人,这仅仅是分辨率,即被测温度的变化量超出0.098时,ADC的结果对其变化有所反应,能够识别。但不代表测得准!如果去查阅该元器件的测量精度,可能会是精度0.25

甚至于,可以用一个14位的A/D,获得1/16384的分辨率,但测量值精度仍然是0.25

简单来说,精度是用来描述物理量的准确程度的,而分辨率是用来描述刻度划分的。

简单做个比喻:一把塑料尺,量程是10cm,有100个刻度,最小能读出1mm的有效值,则尺子的分辨率是1mm,或者说是量程的1%;然而其实际精度就不得而知了(姑且认为是0.1mm)。然后用火烤,并且把尺子拉长一段,之后再看,刻度仍然是100个,即分辨率还是1mm,但精度就差远了。

因此,不可以用分辨率来评估测量精度,分辨率仅仅是A/D转换器中能分辨出来的被测变化细分量。而与精度有关的有两个很重要的指标是积分非线性度INL和微分非线性度DNL

 积分非线性度INLIntergerNonLiner

A/D转换器的精度用积分非线性度指标来表示,它指的是ADC元器件在所有的数值点上对应的模拟值,与真实值之间误差最大的那一点的误差值,也就是输出数值偏离线性最大的距离。单位是LSB(即最低位所表示的量)。也有的芯片用LinearityError来表示精度。

相同分辨率的A/D转换器,价格的差异与INL指标直接相关。例如分辨率为12Bit的两片ADC,一个INL=±3LSB,而另一个INL=±1.5LSB,价格会差很多。

比如12ADCTLC2543INL值为1LSB。那么,当基准电压Uref=4.095V时,测某电压得到的转换结果是1000,那么,真实电压值可能分布在0.9991.001V之间。

非线性积分(INL)关注所有代码非线性误差的累计效应,而非线性微分(DNL)主要是代码步距与理论步距之差。对一个ADC来说,一段范围的输入电压产生一个给定的输出代码,非线性微分误差为正时,输入电压范围比理想的大,非线性微分误差为负时输入电压范围比理想的要小。从整个输出代码来看,每个输入电压代码步距差异累积起来以后和理想值相比会产生一个总差异,这个差异就是非线性积分误差INL

微分非线性度(DNLDifferencialNonLiner

理论上说,模数元器件相邻两个数据之间,模拟量的差值应该都是一样的。但实际并非如此。一把分辨率为1mm的尺子,相邻两刻度之间也不可能都是1mm整。那么,ADC相邻两刻度之间最大的差异就叫作微分非线性值(DifferencialNonLiner)。DNL值如果大于1位,这个ADC甚至不能保证是单调的,即输入电压增大,在某个点的转换结果数值反而会减小。在逐位比较型ADC中较常见。

例如,12ADC,基准为4.095VINL=8LSBDNL=3LSB,由基准和分辨率计算得出,1LSB对应的电压值为1mV

A电压读数1000A对应的电压值为1V

B电压度数1200B对应的电压值为1.2V

如果不考虑AB的任何误差,AB的电压差值应为200mV。但是DNL=3LSB(对应的电压值为3mV),因此可判断BA高出的电压值应在197203mV之间。

DAC也是同理。

3)温漂

基准源是测量精度的重要保证。基准的关键指标是温漂,用ppm/ppm每摄氏度)或ppm/Kppm每开氏度)来表示。

假设某基准温度系数为30ppm/,系统在2070之间工作,温度跨度为50,那么,会引起基准电压30×50=1500ppm的漂移,

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从而由温度变化带来0.15%的误差。

温漂越小,基准源越贵。

4)电压容限

ADC转换后的数字输出电平有芯片自定的电压范围,见表4-7。表中逻辑高电平输出的电压下限UHmin=2.4V(当高电平输出电流大小为360μA时,此时输出电流较大,芯片内阻或上拉电阻上的压降较大,导致输出电压偏低,输出电流的大小与后接芯片引脚的负载大小有关);而当输出电流为10μA时,芯片输出引脚内阻或上拉电阻上分担的电压较小,所以输出电压较高UHmin=4.5V。以上数值为输出高电平的下限,输出高电平的上限则为芯片的电源电压UCC

逻辑低电平输出的电平上限ULmax=0.45V,低电平的下限值则为ADC芯片Gnd的电平(由于地线电平的波动,有可能Gnd电平相对于电源PGnd的电压会有一些波动)。

逻辑电平的高低主要影响后接电路的匹配。例如后接元器件引脚的输入电流为360μA,输入高电平下限值要求为4V,则有此片A/D转换器直接驱动是不够的,就需要在芯片的输出端串入缓冲器电路,缓冲元器件的输入对电流的需求很小,而输出能力却很强,就可以避免由ADC芯片直接驱动带来的逻辑电平过低而导致的读数错误。

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5)转换时间

A/D转换器的转换时间一般在μs级,不同结构、不同转换原理、不同等级的ADC,转换时间也有所不同。这个参数在确定测控过程的时间、时序时比较有用。但是,在满足数据采集速度要求的前提下,适当留出转换时间裕量即可,也不必为追求高速度选择较高速性能的芯片,性价比不是很合理。

6)输入与输出阻抗特性

任何电路,都会有输入阻抗(见图4-11);任何电路也会有输出阻抗。按照最理想的情况,前端的输出阻抗与后端的输入阻抗会对前级的输出信号产生分压,分到后级输入阻抗上的电压即为实际的输入电压。因此,信号采集端需要考虑阻抗匹配的影响(详见本书第22.6节阻抗匹配)。而图4-12所示的信号端输入电容的作用与本章4.1节中的内容同理。

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