探讨ADC与DAC的精度
21ic整理 2022-01-17

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0.9980~1.0020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 0.999~1.001V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0.992~1.008V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197~203mV。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197~203mV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1~1.5LSB,精度下降了3 倍。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20~70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。

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。 

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