ADC和DAC应用中常被忽略的几个关键参数

说精度之前,首先要说分辨率。最近已经有贴子热门讨论了这个问题,结论是分辨率决不等同于精度。比如一块精度0.2%（或常说的准确度0.2级）的四位半万用表,测得A点电压1.0000V,B电压1.0005V,可以分辨出B比A高0.0005V,但A点电压的真实值可能在0.99801.0020之间不确定。
那么,既然数字万用表存在着精度和分辨率两个指标,那么,对于ADC和DAC,除了分辨率以外,也存在精度的指标。

模数器件的精度指标是用积分非线性度（Interger NonLiner）即INL值来表示。也有的器件手册用 Linearity error 来表示。他表示了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值,和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）。

比如12位ADC：TLC2543,INL值为1LSB。那么,如果基准4.095V,测某电压得的转换结果是1000,那么,真实电压值可能分布在0.9991.001V之间。对于DAC也是类似的。比如DAC7512,INL值为8LSB,那么,如果基准4.095V,给定数字量1000,那么输出电压可能是0.9921.008V之间。

下面再说DNL值。理论上说,模数器件相邻量个数据之间,模拟量的差值都是一样的。就相一把疏密均匀的尺子。但实际并不如此。一把分辨率1毫米的尺子,相邻两刻度之间也不可能都是1毫米整。那么,ADC相邻两刻度之间最大的差异就叫差分非线性值（Differencial NonLiner）。DNL值如果大于1,那么这个ADC甚至不能保证是单调的,输入电压增大,在某个点数值反而会减小。这种现象在SAR（逐位比较）型ADC中很常见。

举个例子,某12位ADC,INL=8LSB,DNL=3LSB（性能比较差）,基准4.095V,测A电压读数1000,测B电压度数1200。那么,可判断B点电压比A点高197203mV。而不是准确的200mV。对于DAC也是一样的,某DAC的DNL值3LSB。那么,如果数字量增加200,实际电压增加量可能在197203mV之间。

很多分辨率相同的ADC,价格却相差很多。除了速度、温度等级等原因之外,就是INL、DNL这两个值的差异了。比如AD574,贵得很,但它的INL值就能做到0.5LSB,这在SAR型ADC中已经很不容易了。换个便宜的2543吧,速度和分辨率都一样,但INL值只有11.5LSB,精度下降了3倍。而CS1180性价比都比较突出，很适合用于电子秤等测量应用。

另外,工艺和原理也决定了精度。比如SAR型ADC,由于采用了R-2R或C-2C型结构,使得高权值电阻的一点点误差,将造成末位好几位的误差。在SAR型ADC的2^n点附近,比如128、1024、2048、切换权值点阻,误差是最大的。1024值对应的电压甚至可能会比1023值对应电压要小。这就是很多SAR型器件DNL值会超过1的原因。但SAR型ADC的INL值都很小,因为权值电阻的误差不会累加。

和SAR型器件完全相反的是阶梯电阻型模数/数模器件。比如TLC5510、DAC7512等低价模数器件。比如7512,它由4095个电阻串联而成。每个点阻都会有误差,一般电阻误差5%左右,当然不会离谱到100%,更不可能出现负数。因此这类器件的DNL值都很小,保证单调。但是,每个电阻的误差,串联后会累加,因此INL值很大,线性度差。

这里要提一下双积分ADC,它的原理就能保证线性。比如ICL7135,它在40000字的量程内,能做到0.5LSB的INL值（线性度达到1/80000 !!）和0.01LSB的DNL值.这两个指标在7135的10倍价钱内,是不容易被其他模数器件超越的。所以7135这一类双积分ADC特别适合用在数字电压表等需要线性误差非常小的场合。

还要特别提一下基准源。基准源是测量精度的重要保证。基准的关键指标是温飘,一般用ppm/K来表示。假设某基准30ppm/K,系统在2070度之间工作,温度跨度50度,那么,会引起基准电压30*50=1500ppm的漂移,从而带来0.15%的误差。温漂越小的基准源越贵,比如30ppm/K的431,七毛钱;20ppm/K的385,1块5;10ppm/K的MC1403,4块5;1ppm/K的LM399,14元;0.5ppm/K的LM199,130元。

该死的教科书害了一代学生。说起来好笑的一个现象：我这边新来的学生大多第一次设计ADC电路的时候,基准直接连VCC,还理直气壮的找来N本教科书,书上的基准写了个网标：+5V。天下的书互相抄,也就所有的学校的教科书都是基准接5V。教科书把5V改成5.000V多好？学生就会知道,这个5V不是VCC。或者提一下基准需要高稳定度,也好啊！

最后说一下Sigma-Delta型ADC,它比较特殊,对于精度,一般用直接用线性度表示,比如0.0015%.不说差分非线性值,而直接用有效分辨率来表示。此外,Sigma-Delta型ADC还存许多怪脾气,难伺候。我准备专门开一个贴子介绍Sigma-Delta型ADC应用中被忽略的重要问题。