原创 ADI专家详谈数据转换器的关键指标

作为电子工程师，大家都知道数据转换器有几种基本类型，然而对其关键的性能指标和应用场景，恐怕很少有人能有较全面的认识。ADI公司技术专家章新明 (Eagle)和张松刚(Singer)在前不久举办的媒体培训活动中，为我们详细讲解了SAR(逐次逼近)ADC的基础知识及其应用。笔者主要就数据转 换器的原理和关键性能指标进行整理，供大家参考。

基本的逐次逼近模数转换器的原理框图如图1所示。当需要将模拟信号转换为数字信号时，转换开始信号控制采样保持器(SHA)将模拟信号捕获，并与DAC输 出进行逐次比较(简单的ADC也可以采用分压电阻实现)。Eagle介绍，模数转换技术类似于天平称重，通过增减测试样本，利用分辨率误差最小并轻于样本 的测试样本来估算样本的重量。即，先取满量程的一半(对应DAC的输入代码的最高位为1，其余位为0)与输入信号进行比较；若输入≥DAC的输出，则1保 留(否则拒绝)；再将输入信号与满量程的3/4比较，依次类推。转换周期完成后，发出转换结束(EOC)或DRDY(数据就绪)信号。

图1：SAR ADC原理框图。

下面来了解数据转换器的高级规格。Eagle指出，模数转换和数模转换的本质相同，只是方向不同。ADC和DAC的重要直流规格包括：分辨率、增益误差、失调误差、微分非线性、积分非线性以及失码。

表1列出了数据转换器的分辨率数据。以满量程(FS)为10V的8位ADC而言，代码总量为2⁸=256个，最低有效位(LSB)的宽度为10/2⁸=39.1mV， 对应满量程的百分比为0.39%，以分贝值表示即20lg0. 39%=-48dB。数据转换器的位数越高，成本也越高。对于2.2kΩ电阻，在25℃、10kHz带宽情况下，600nV热噪声与24位ADC的LSB 相当。因此，一般而言，24位分辨率是ADC的极限(带宽更小时可以做到32位，但意义不大)。

表1：数据转换器的分辨率。

增益误差和失调误差类似于运算放大器误差。失调误差会引起输入/输出关系在水平方向发生偏移；而增益误差会引起输入/输出关系发生旋转偏移。对于2.5V 参考电压的12位ADC，若存在+5mV的偏移误差，动态范围和满量程代码将分别变为2.495V和4088(损失8个LSB)。失调误差和增益误差均可 以消除，双极性ADC的直流偏移有两种校正方法。第一种方法以负的最大值为基点，通过调整增益，再减去偏移量，即可完成校准。第二种方法以原点为基点，校 准偏移量使传递函数通过原点，再调整增益，则又会产生新的偏移误差，需再校准一次。第二种做法较之麻烦(图3)。对于误差的校准，可以将其存到单片机的 Flash中，在应用时减去。

图2：失调误差与增益误差。

图3：失调与增益误差的两种校准方法对比。

微分非线性误差(DNL)指的是实际代码宽度与1个LSB代码宽度的偏差(图4)。对于理想转换器，码跃迁宽度为1个LSB。实际情况下，由于存在调整误 差，跃迁将大于或小于1个LSB。ADC因此而丢失代码的情况也称为有“失码”。Eagle指出，失码会产生噪声和杂散，但这种情况还不算太糟糕。若传递 函数存在单调性问题(代码递增过程中，某个对应电压不增反降)，那么将出现非常严重的情形。比如，控制电机时本该提速却反而减速，那么，电机运动不会收 敛，将永远达不到给定值。

图4：微分非线性误差示意。

另一个指标积分非线性误差(INL)指的是，实际的代码过渡点与理想过渡点之间的偏差。它将产生可加谐波和杂散。INL的引入是为了衡量转换器的累积误差 (图5)。比如，假设ADC不存在微分非线性问题，但每个码跃迁宽度都只有0.9LSB，那么10个代码累积起来就会缺少一个码值。

图5：积分非线性误差示意。

交流指标的分析主要采用傅里叶变换。依据奈奎斯特理论，2个信号混合将产生频率的和差分量。它规定信号频率必须小于1/2采样频率，否则会出现混叠现象， 即差频分量将出现在感兴趣的带宽内部(低通滤波器无法滤除)。ADC的交流指标包括：信噪比(SNR)/信纳比(SINAD)、有效位数(ENOB)、全 功率带宽(FPBW)、采样时钟抖动、高频失真(THD)、交调失真(IMD)和无杂散动态范围(SFDR)。其中，信纳比和无杂散动态范围是最重要的两 个指标。

信纳比(信号对噪声和失真比)指的是信号的有效值与其他频谱分量(包含谐波)的和方根(RSS)的平均值之比，而信噪比则不包含5阶以内的谐波成分。信纳 比才真正反映了转换器的性能，但通常以信噪比取代。有效位数则可通过信纳比计算。Eagle谈到，如果12位ADC的有效位数能够达到11位，就相当不错 了。有时，12位的ADC的有效位数只能达到8位。另外几个指标无杂散动态范围、总谐波失真和信噪比之间的关系如图6所示。无杂散动态范围衡量了邻道干 扰，打电话听到他人的声音就是一个例子。

图6：无杂散动态范围、总谐波失真和信噪比。

数据转换器是信号处理必不可少的组成部分，尤其是ADC。在工业自动化领域，运动控制和过程控制都离不开数据转换器。Singer补充到，对于运动控制而 言，电机运行的速度非常快，宜选用SAR ADC进行数据转换；而对于慢速的过程控制，则通常选用Σ-Δ ADC来实现。对于电机控制，一般12位ADC就能满足要求；对于电力系统智能电表的应用，则会用到14位、16位的ADC(电表动态范围为 4000:1(0.01I_b~40I_b)时，12位精度是要求的底线)。