01

ADC參數(shù)釋義

1.分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。

2.轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。

積分型AD的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps 和Msps，表示每秒采樣千/百萬次(kilo/Million Samples per Second。

3. 量化誤差(Quantizing Error)由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率AD (理想AD)的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、 1/2LSB。

4.偏移誤差(Offset Error)輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。

5.滿刻度誤差(Full Scale Error)滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。

6.微分非線性 (Differential nonlinearity， DNL) ADC相鄰兩刻度之間最大的差異。

7.積分非線性 (Integral nonlinearity， INL)表示了ADC器件在所有的數(shù)值點上對應(yīng)的模擬值和真實值之間誤差最大的那一點的誤差值，也就是輸出數(shù)值偏離線性最大的距離。

8.總諧波失真 (Total Harmonic Distotortior縮寫 THD)。

02

AD芯片的選取

AD的選擇，首先看精度和速度，然后看輸入通道數(shù)，輸出的接口如SPI或者并行的，差分還是單端輸入的，輸入范圍是多少。如何選擇你所需要的器件呢?要綜合設(shè)計的諸項因素，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)、成本、功耗、安裝等，最主要的依據(jù)還是速度和精度。

1.精度與所測量的信號范圍有關(guān)，但估算時要考慮到其他因素，轉(zhuǎn)換器位數(shù)應(yīng)該比總精度要求的最低分辯率高一位。常見的AD/DA器件有8位，10位，12位，14位，16位等。

2.速度根據(jù)輸入信號的最高頻率來確定，保證ADC的轉(zhuǎn)換速率高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。

3.通道有的單芯片內(nèi)部含有多個AD/DA模塊，可同時實現(xiàn)多路信號的轉(zhuǎn)換;常見的多路AD器件只有一個公共的AD模塊，由一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換。

4. 數(shù)字接口方式接口有并行/串行之分，串行又有SPI、 I2C、 SM等多種不同標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)值編碼通常是二進制，也有BCD (二~十進制)、雙極性的補碼、偏移碼等。

5. 模擬信號類型通常AD器件的模擬輸入信號都是電壓信號，而DA器件輸出的模擬信號有電壓和電流兩種。

6. 同時根據(jù)信號是否過零，還分成單極性( Unipolar) 和雙極性( Bipolar )。

7. 電源電壓有單電源，雙電源和不同電壓范圍之分，早期的AD/DA器件要有+15V/-15V，如果選用單+5V電源的芯片則可以使用單片機系統(tǒng)電源。

8. 基準(zhǔn)電壓有內(nèi)、外基準(zhǔn)和單、雙基準(zhǔn)之分。

9.功耗一般CMOS工藝的芯片功耗較低，對于電池供電的手持系統(tǒng)對功耗要求比較高的場合一定要注意功耗指標(biāo)。

10. 封裝形式:常見的封裝是DIP，現(xiàn)在表貼型so封裝的應(yīng)用越來越多。

11.跟蹤/保持 (Track/Hold 縮寫T/H)原則上直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持，其他情況都應(yīng)加采樣保持。

12.滿幅度輸出(Rail-to Rail)新近業(yè)界出現(xiàn)的新概念，最先應(yīng)用于運算放大器領(lǐng)域，指輸出電壓的幅度可達輸入電壓范圍。在DA中一般是指輸出信號范圍可達到電源電壓范圍。(國內(nèi)的翻譯并不統(tǒng)一，如“軌_軌"、“滿擺幅")。

03

針對高精度測量類的AD

參考電壓需要足夠精確.推薦使用外部高精準(zhǔn)參考電壓。

如果PGA可調(diào)，增益系數(shù)一般是越小噪聲越低。

一般最好用到滿量程，此時AD精度不浪費。

如果有偏置，需要進行自校。

請注意在使用DEMO板調(diào)試時，會由調(diào)試口導(dǎo)入PC噪聲由信號連接線導(dǎo)入外部噪聲，因此建議使用屏蔽電纜傳輸信號。

板上注意模擬電源和數(shù)字電源，以及模擬地和數(shù)字地要分開;減少耦合噪聲路徑。

使用差分輸入可以減少共模噪聲，但是差模噪聲會增大。

如果是片內(nèi)集成AD的MCU，支持高速時鐘，如果不影響性能，內(nèi)部工作時鐘越低，對AD采樣引起的干擾越小。如果是板上就需要注意走線和分區(qū)。

信號輸入前級接濾波電路，一般一階RC電路較多，注意FC=1/1000~1/100采樣頻率。電阻和電容的參數(shù)注意選取，信號接入后級接濾波電路最好采用sinc濾波方式.注意輸入偏置電流會限制外部的濾波電阻阻值的大小。R x Ib < 1 LSB。

有的片內(nèi)AD還有集成輸入Buffer，有助于抑制噪聲，一般是分兩當(dāng)，看輸入信號范圍和滿量程之間的關(guān)系。

AD分為很多種，SARFLASH，并行比較型，逐次逼近型，Delta sigma型，一般是速度越高，精度越高越貴，針對不同場合不同成本不同要求分別選用。

Layout constraint。

04

高速ADC關(guān)鍵指標(biāo)的定義

一個基本概念

分貝(dB):按照對數(shù)定義的一個幅度單位。對于電壓值，dB以20log(VA/VB)給出;對于功率值，以10log(PA/PB)給出。dBc 是相對于一個載波信號的dB值; dBm是相對于1mW的dB值。對于dBm而言，規(guī)格中的負(fù)載電阻必須是已知的(如: 1mW 提供給50Ω)，以確定等效的電壓或電流值。

靜態(tài)指標(biāo)定義

量化誤差（Quantization Error）：量化誤差是基本誤差，用圖1所示的簡單3bit ADC來說明。輸入電壓被數(shù)字化，以8個離散電平來劃分，分別由代碼000b到111b去代表它們，每一代碼跨越Vref/8的電壓范圍。代碼大小一般被定義為一個最低有效位(Least Significant Bit LSB)。若假定Vref=8V時，每個代碼之間的電壓變換就代表1V。換言之，產(chǎn)生指定代碼的實際電壓與代表該碼的電壓兩者之間存在誤差。一般來說，0.5LSB 偏移加入到輸入端便導(dǎo)致在理想過渡點上有正負(fù)0.5LSB的量化誤差。

圖1 理想ADC轉(zhuǎn)換特性

05

偏移與增益誤差（Offset Gain Error）

器件理想輸出與實際輸出之差定義為偏移誤差，所有數(shù)字代碼都存在這種誤差。在實際中，偏移誤差會使傳遞函數(shù)或模擬輸入電壓與對應(yīng)數(shù)值輸出代碼間存在一個固定的偏移。通常計算偏移誤差方法是測量第一個數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換或“零”轉(zhuǎn)換的電壓，并將它與理論零點電壓相比較。增益誤差是預(yù)估傳遞函數(shù)和實際斜率的差別，增益誤差通常在模數(shù)轉(zhuǎn)換器最末或最后一個傳輸代碼轉(zhuǎn)換點計算。

為了找到零點與最后一個轉(zhuǎn)換代碼點以計算偏移和增益誤差，可以采用多種測量方式，最常用的兩種是代碼平均法和電壓抖動法。代碼平均測量就是不斷增大器件的輸入電壓，然后檢測轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果。每次增大輸入電壓都會得到一些轉(zhuǎn)換代碼，用這些代碼的和算出一個平均值，測量產(chǎn)生這些平均轉(zhuǎn)換代碼的輸入電壓，計算出器件偏移和增益。電壓抖動法和代碼平均法類似，不同的是它采用了一個動態(tài)反饋回路控制器件輸入電壓，根據(jù)轉(zhuǎn)換代碼和預(yù)期代碼的差對輸入電壓進行增減調(diào)整，直到兩代碼之間的差值為零，當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)換代碼接近輸入電壓或在轉(zhuǎn)換點附近變化時，測量所施加的“抖動”電壓平均值，計算偏移和增益。

06

微分非線性

微分非線性(Differential nonlinearity ，DNL)：理論上說，模數(shù)器件相鄰兩個數(shù)據(jù)之間，模擬量的差值都是一樣的。就好比疏密均勻的尺子。但實際上，相鄰兩刻度之間的間距不可能都是相等的。所以，ADC相鄰兩刻度之間最大的差異就叫微分非線性DNL，也稱為差分非線性。同樣舉例來說明，如果對于12bit的ADC，其INL=8LSB， DNL=3LSB，在基準(zhǔn)電壓為4. 095V時，測得A電壓對應(yīng)讀數(shù)為1000b， 測得B電壓對應(yīng)讀數(shù)為1200b。那么就可以判斷出，B點電壓值比A點高出197mV到203mV，而不是準(zhǔn)確的200mV。

圖2 DNL誤差特性

圖2中，001b 到010b碼制過渡過程的DNL為0LSB，因為剛好為1LSB。但是000b到001b過渡就有個0.2LSB的DNL，因為此時有1. 2LSB的代碼寬度。應(yīng)當(dāng)注意:如果在ADC或者DAC的datasheet中沒有清楚說明DNL參數(shù)的話，可視該轉(zhuǎn)換器沒有漏碼，即暗示它有優(yōu)于正負(fù)1LSB的DNL。

07

積分非線性

積分非線性(Integral nonl inearity INL)：積分非線性表示了ADC器件在所有的數(shù)值點上對應(yīng)的模擬值和真實值之間誤差最大的那一點的誤差值，也就是輸出數(shù)值偏離線性最大的距離。單位是LSB。例如，一個12bit的ADC，INL值為1LSB，那么，對應(yīng)基準(zhǔn)4. 095V，測某電壓得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果是1000b，那么，真實電壓值可能分布在0.999V到1.001V之間。

INL是DNL誤差的數(shù)學(xué)積分，即一個具有良好INL的ADC保證有良好的DNL。

圖3 INL誤差特性

總之，非線性微分和積分是指代碼轉(zhuǎn)換與理想狀態(tài)之間的差異。非線性微分(DNL)主要是代碼步距與理論步距之差，而非線性積分(INL) 則關(guān)注所有代碼非線性誤差的累計效應(yīng)。對一個ADC來說，一段范圍的輸入電壓產(chǎn)生一個給定輸出代碼，非線性微分誤差為正時輸入電壓范圍比理想的大，非線性微分誤差為負(fù)時輸入電壓范圍比理想的要小。從整個輸出代碼來看，每個輸入電壓代碼步距差異累積起來以后和理想值相比會產(chǎn)生一個總差異，這個差異就是非線性積分誤差。

圖4 INL和DNL

與增益和偏移一樣，計算非線性微分與積分誤差也有很多種方法，代碼平均和電壓抖動兩種方法都可以使用，但是由于存在重復(fù)搜索，當(dāng)器件位數(shù)較多時這兩種方法執(zhí)行起來很費時。一個更加有效計算INL和DNL的方法是直方圖法，采用線性或正弦直方圖。圖5說明了線性斜升技術(shù)的應(yīng)用，首先使輸入電壓線性增加，同時對輸出以固定間隔連續(xù)采樣，電壓逐步增加時連續(xù)幾次采樣都會得到同樣輸出代碼，這些采樣次數(shù)稱為“點擊數(shù)”。

圖5 計算直方圖

從統(tǒng)計上講，每個代碼的點擊數(shù)量直接與該代碼的相應(yīng)輸入電壓范圍成正比，點擊數(shù)越多表明該代碼的輸入電壓范圍越大，非線性微分誤差也就越大；同樣，代碼點擊數(shù)越少表明該代碼輸入電壓范圍越小，非線性微分誤差也就越小。用數(shù)學(xué)方法計算，如果某個代碼點擊數(shù)為9，而“理想”情況下是8，則該器件的非線性微分誤差就是(9-8) /8或0.125。非線性積分是所有代碼非線性微分的累計值，對于斜升直方圖，它就是每個非線性微分誤差的和。從數(shù)學(xué)觀點來看，非線性積分誤差等于在代碼X-1的非線性微分誤差加上代碼X和代碼X-1的非線性微分誤差平均值。

08

動態(tài)指標(biāo)定義

有效位數(shù)(ENOB)：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與輸入頻率fIN相關(guān)的測試指標(biāo)(位)。隨著fIN 的增大，整體噪聲(特別是失真成分)將會增大，因而降低了ENOB和SINAD性能。另請參考:信號與噪聲+失真比(SINAD)。

ENOB與SINAD的關(guān)系式為:

ENOB =（SINAD-1.76）/6.02

分辨率:模擬信號被量化時，它是以有限的離散電壓電平表示的，分辨率是用來表示信號的離散電平個數(shù)。為了更精確地恢復(fù)模擬信號，必須提高分辨率。分辨率通常定義為位數(shù)，利用更高的分辨率進行轉(zhuǎn)換可以降低量化噪聲。RMS:參考有關(guān)均方根(RMS)的注釋。

均坊根(RMS):表示交流信號的有效值或有效直流值。對于正弦波，RMS是峰值的0.707倍，或者是峰~峰值的0.354倍。SFDR:參考有關(guān)無雜散動態(tài)范圍(SFDR)的注釋。

信號與噪聲+失真比(SINAD):直流到奈奎斯特頻段內(nèi)，正弦波fIN（對于ADC指的是輸入正弦波，對于ADC/DAC指的是重建的輸出正弦波)的RMS值與轉(zhuǎn)換器噪聲的RMS值之比，包括諧波成分。典型值以分貝表示，另請參寺關(guān)于均方根(RMS)和總諧波失真的注釋。

SINAD = 20log(10)Signal (volts，RMS)/（Noise + Harmonics (volts，RMS)）

信噪比(SNR):直流到奈奎斯特頻段內(nèi)，正弦波fIN（對于ADC指的是輸入正弦波，對于ADC/DAC指的是重建的輸出正弦波)的RMS值之比，直流噪聲和諧波失真除外。典型值以分貝表示，另請參考關(guān)于均方根(RMS)的注釋。

SNR = 20log(10)Signal (volts，RMS)/Noise (volts，RMS)

理想狀況下，最小轉(zhuǎn)換噪聲的理論值只包括量化噪聲，可直接由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分辨率計算得到:

（N）：SNR = (6.02N +1.76)dB

無雜散動態(tài)范國（SFDR）:正弦波fIN（對于ADC指的是輸入正弦波，對于ADC/DAC指的是重建的輸出正弦波)的RMS值與在頻域觀察到的雜散信號的RMS值之比，典型值以分貝表示。SFDR在一些需要最大轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍的通信系統(tǒng)中非常重要。

圖 6 FFT頻譜圖