ADC-MAX1324的误差分析

 0 引言

　　MAX1324是MAXIM公司生产14位，8通道，同步采样ADC转换器。可提供±10V，±5V或0至+5V模拟出入范围，可提供±16.5V的过压保护，具有优异的动态特性和直流精度。

　　现代测试系统和现代工业应用系统中，模数转换器(ADC)是不可或缺的元器件之一。由于ADC的广泛应用，一般数据采集系统都由传感器电路和ADC构成。但很多时候，数据采集系统所表现的性能往往低于预期值。出现这种情况，人们首先考虑的原因是传感器和信号调理电路的非线性以及被测试参数的稳定性和准确性。但实际上，ADC的性能指标也是数据采集系统性能下降的重要原因。

　　本文的目的是解释 A/D 转换器MAX1324最常见的误差源，并介绍进行上述误差补偿的方法。某些误差补偿的方法理解和实施起来都比较容易，而有些方法则不那么显浅易懂。如果采用方法得当的话，则可大幅提高系统整体性能。

　　1 系统误差性能分析

　　数据采集系统的误差是信号通道上的每个元器件所贡献的误差项的总和。因此总误差的均方根可由下式给出： 。其中，E 代表某个特定元器件的误差项。作为具体分析，假定数据采集系统允许0.1％的误差或者说需要l0位的精度。在这种情况下，如果采用l0位分辨率的ADC显然是不合要求的。如果采用l2位的转换器，我们可能会想当然地认为精度已经足够高， 但是在没有仔细检查其规格说明书之前，我们并不能保证该转换器就具有l2位的性能(实际情况可能更好或者更糟)。

　　2 ADC直流性能分析

　　模数转换器的直流性能包括微分非线性、积分非线性、失调和增益误差以及其它误差。模数转换器一般以LSB为单位提供各种误差。其相应关系可以表示为：ERR=LSB／2n

　　其中，n为模数转换器的转换位数，LSB为以LSB为单位的最大误差，ERR为以百分号为单位的误差。

　　2．1 微分非线性

　　微分非线性(DNL)误差揭示的是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，然后转换成以LSB为单位后得到。当输入电压扫过ADC的工作范围时，所有输出码组合(全"0"到全"1")会依次出现在转换器的输出端。这种关系称作"无丢码"。但实际上由于器件的微分非线性，常常出现以下几种情况。当DNL误差小于±1LSB时，不会出现丢码的现象，当DNL误差等于±1LSB时，生产厂商会特别声明是否丢码(如图1，1LSB无丢码，图2，-1LSB丢10码)；当DNL误差大于±1LSB时有丢码(如图3当 时，可能为01，l0，ll码)。微分非线性(DNL)误差与丢码之间的关系如表1：

表1 误差与丢码之间的关系

　　而MAX1324的DNL误差为±1LSB，声明为无丢码，所以具有14位精度。

在一定条件下可以允许丢码的存在。因为一般说来，同系列产品在性能条件不同时价格相差较大，在满足性能要求的前提下，选购低等级的ADC将大幅度节省元件成本，同时又满足系统要求。

　　2．2 积分非线性

　　积分非线性(INL)定义为微分非线性(DNL)误差的积分。在实际分析ADC精度时，一般采用INL误差。INL误差定义为转换器测量结果与理想转换函数的差。其相应关系可以表示为：

ERR=LSB／2n

　　积分非线性(INL) 误差各种表示之间的关系如表2:

表2 积分非线性(INL)误差各种表示之间的关系

　　而MAX1324的INL误差为±1.5LSB，声明为无丢码(14位精度)，则它的分辨率误差是：ERR=LSB/2 =1.5/2 =0.0091552% 。

　　2．3 失调和增益误差

　　失调误差也称为零漂，是指系统在0V输入电压时或其附近时ADC产生的漂移。对于失调误差的修正，可以比较容易利用微控制器(μC)或数字信号处理器(DSP)进行修正。

　　我们以MAX1324为例说明失调误差与输入电压的关系。MAX1324的失调误差为±3LSB，相当于±0.9155mV的输入电压误差(以5V为基准作参考电压)，在进行失调误差修正时必须于扣除3个码以补偿失调电压，而在失调误差为+3LSB时满量程电压值就变成了4.0845V，超过上述电压值就会产生溢出现象；在失调误差为-3LSB时，假设对于单极性输入，在0～0.9155mV之间，输出均为零，直到0.9155mV时才出现第一次跳变，这同样使ADC动态范围变小了。

　　公式进行修正： ，其中m1为理想转换函数的斜率,m2为实例转换函数的斜率。可以使用调试的方法对增益误差进行修正，将参考电压和输入模拟电压进行联动调试，当参考电压为某一特定值时可以使满量程输出全"l"，从而达到修正增益误差的效果；也可在软件中采用一个线性校正曲线改变ADC 转换函数的斜率。

　　总之， 对于失调误差和增益误差可以通过软件实现误差正的修。

　　2．4 基准

无论是内部基准或者外部基准，它都是ADC的一个