理解ADC误差对系统性能的影响

现首次跳变。同样，你将失去一部分ADC量程。

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m1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）。

图6. 增益误差降低了动态范围

和失调误差一样，增益误差也会降低动态范围。举例来说，如果满量程输入电压时转换得到的数码输出为4050而非理想的4096 （12位转换器），也就是所谓的负增益误差，在这种情况下，高端的46个码将无法利用。类似地，如果满量程数码4096出现在输入电压低于满量程时，ADC的动态范围同样被降低了（见图6）。值得注意的是对于正的满量程误差，你无法在转换结果变为全1的点之外对转换器进行校准。

对付失调和增益误差最简单的办法就是找一个误差值足够低的ADC，这样你就不必再考虑校正了。找到一个失调和增益误差小于4LSB的12位ADC并不困难。

其它误差源

码沿噪声

码沿噪声是在转换函数中恰好发生编码跳变时出现的噪声。通常在规格书中对该项特性不作规定。甚至对于较高分辨率的转换器（16位以上），由于更小的LSB间隔，码沿噪声更为显著，通常都对这项性能未作规定。很多时候，码沿噪声能有几个LSB。转换恰好位于代码边缘的模拟输入时，代码会在LSB位发生跳动。如果出现明显的码沿噪声，就应该对采样进行平均，这样可以有效地从转换结果中去除这种噪声。需要对多少个采样取平均？ 如果码沿噪声为2/3LSB RMS，这接近于4LSB P-P。那么要将噪声降低到1LSB，则需要对16次采样取平均（性能的改进正比于采样数的均方根）。

基准

采用内部或外部基准的ADC的一个最大潜在误差源是参考电压。很多情况下，内置于芯片内部的基准通常都没有足够严格的规格。为了理解基准所带来的误差源，有必要特别关注一下三项指标：温漂，电压噪声，和负载调整。

温漂

温漂是规格书中最容易被忽视的一项指标。下面的举例可以说明温度漂移是如何影响ADC性能的（图7）。对于一个12位转换器，要在整个扩展级温度范围（-40°C至+85°C）内保持精度，最大允许的温漂为4ppm/°C。不幸的是，没有任何一个ADC包含有这样高性能的片内基准。如果我们放松要求，将温度范围限制于10°C以内，那么12位ADC的参考电压最多允许25ppm/°C的温度漂移，这对于片内基准来讲仍然是相当严格的要求。即便进行多次样机测试也不能发现这种误差的严重性，因为所采用的元件通常都来自于同一批次。这样，测试结果不能反映规格书中的极端情况，这主要是由于制造工艺的变化而导致。

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