當筆者與使用模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)設計人員聊天時，他們最常問的就是：“您的16位A/D轉(zhuǎn)換器準確度也是16位嗎？”
要回答這個問題，關鍵在于從根本上理解分辨率和準確度這兩個概念之間的區(qū)別。盡管這兩個術語是截然不同的，但它們卻經(jīng)常被混淆或互換使用。
A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率被定義為輸入信號值的最小變化，可通過一次計數(shù)改變數(shù)字輸出值。就理想的A/D轉(zhuǎn)換器而言，傳遞函數(shù)呈階梯狀，且每個步階寬度等于分辨率。但使用較高分辨率（16位或16位以上）的系統(tǒng)時，傳遞函數(shù)的響應和理想的響應之間將存在較大的偏差。這是因為由A/D轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動器電路產(chǎn)生的噪聲可降低該轉(zhuǎn)換器的分辨率。
此外，如果一種直流（DC）電壓被施加到理想A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端并進行了多次轉(zhuǎn)換，那么數(shù)字輸出應始終是同一個代碼。但在現(xiàn)實中，輸出代碼卻成了多個代碼，在多個位置上分布（見下圖的紅點群集），具體取決于系統(tǒng)總噪聲，其它因素還包括電壓參考和驅(qū)動器電路。系統(tǒng)里噪聲越多，數(shù)據(jù)點的群集范圍會越大，反之亦然。圖1展示了一個半量程DC輸入的例子。在A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品說明書中，A/D轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)圖上的這種輸出點群集通常被表示為DC直方圖。
圖1的例證帶來了一個有趣的問題。如果同一種模擬輸入能產(chǎn)生多種數(shù)字輸出，那么A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的定義是否依然適用？答案是肯定的 —— 但前提是我們要考慮到A/D轉(zhuǎn)換器的量化噪聲。然而，當我們對信號鏈中的所有噪聲和失真進行探究考量時，卻發(fā)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的無噪聲有效分辨率是由輸出代碼散布（Npp）狀況來決定的。
無噪聲分辨率 = log2（2n/Npp）
其中n是理想的分辨率
在典型的A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品說明書中，有效位數(shù)（ENOB）由交流（AC）參數(shù)和信噪失真比（SINAD）間接確定，可用下邊的方程式計算出ENOB：
ENOB =（SINAD-1.76）/6.02
接下來請仔細觀察：輸出代碼群集（圖1里的綠色群集）是否不僅未以理想的輸出代碼為中心、反而位于A/D轉(zhuǎn)換器傳遞曲線上的其它位置，遠離紅點？這個距離是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)準確度的指標。A/D轉(zhuǎn)換器以及前端驅(qū)動電路、參考和參考緩沖器都是整個系統(tǒng)準確度的影響因素。
這里應當注意的是：A/D轉(zhuǎn)換器的準確度和分辨率是兩個不同的參數(shù)，它們可能彼此不相等。從系統(tǒng)設計的角度來看，準確度可決定系統(tǒng)的整體誤差預算，而系統(tǒng)軟件算法完整性、控制和監(jiān)測能力則取決于分辨率。
已確定了A/D轉(zhuǎn)換器分辨率和準確度之間的區(qū)別，我們現(xiàn)在可深入探討一下能對該轉(zhuǎn)換器的總準確度產(chǎn)生影響的因素，通常被稱為未調(diào)整總誤差（TUE）。
您可曾想過在A/D轉(zhuǎn)換器的未調(diào)整總誤差（TUE）技術規(guī)格中“總”代表什么嗎？是僅僅把來自產(chǎn)品說明書的所有DC誤差技術規(guī)格，如偏移電壓、增益誤差和積分非線性 (INL) 誤差加起來那么簡單還是有更深層的含義呢？事實上，TUE是系統(tǒng)總誤差相對于該轉(zhuǎn)換器工作輸入范圍的比率。
更具體地說，TUE是以最低有效位（LSB）為單位表示的DC誤差技術規(guī)格，代表A/D轉(zhuǎn)換器實際傳遞函數(shù)和理想傳遞函數(shù)之間存在的最大偏差。該技術規(guī)格假設未進行系統(tǒng)級校準。
從概念上講，TUE反映的是A/D轉(zhuǎn)換器運行狀況中下列各類非理想因素的聯(lián)合效應：
偏移誤差（VOS）。該誤差是A/D轉(zhuǎn)換器實際傳遞曲線和理想傳遞曲線之間的恒定差異（見圖2）。它是測定的數(shù)字輸出，通過把A/D轉(zhuǎn)換器輸入端短接到接地（GND）獲得。
增益誤差。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的實際斜率和理想斜率之間的差異。它通常被表示為滿量程代碼處A/D轉(zhuǎn)換器范圍或最大誤差的比率。如圖2所示，隨著模擬輸入接近滿量程值，增益誤差的絕對值會增大。
積分非線性（INL）誤差。A/D轉(zhuǎn)換器實際傳遞曲線和理想直線運行方式之間存在的最大非線性偏差。A/D轉(zhuǎn)換器的INL響應圖沒有固定的形狀，具體取決于內(nèi)部電路架構以及由前端信號調(diào)節(jié)電路造成的失真。
大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品說明書為所有上述DC誤差明確規(guī)定了典型值和最大值，但未給TUE指定這方面的數(shù)值。計算TUE的最大值可不像求所有單個DC誤差最大值的總和那么簡單。原因是：所有這些誤差是不相關的，而且最糟糕的情況是，在A/D轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)上，偏移、增益和線性誤差可能并非都出現(xiàn)于相同的輸入電壓下。所以，將誤差簡單相加也許會使系統(tǒng)準確度看起來過差。如果應用的動態(tài)范圍被限制在接近傳遞函數(shù)中間的位置，情況更是如此。
在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，與A/D轉(zhuǎn)換器配套的有一個輸入驅(qū)動器，還有一個電壓參考，兩者均可使總的偏移和增益誤差增加。因此，在大多數(shù)無校準功能的系統(tǒng)里計算TUE最大值時，偏移和增益誤差會比INL誤差大。要計算特定模擬輸入電壓下的最大TUE，推薦的方法是取那一點上所有單個誤差最大值的和方根。重要的是把所有這些誤差轉(zhuǎn)換成相同的單位（通常是LSB）。
TUE = v[|VOS|2 + gain2 + INL2]
借助該方程式通�？缮梢粋�“蝴蝶結(jié)”形狀的誤差圖。對于具有較高偏移誤差的系統(tǒng)，“蝴蝶結(jié)”的結(jié)較厚。但對于具有較高增益誤差的系統(tǒng)，“蝴蝶結(jié)”的結(jié)則變得較薄，弓形變得較厚。
總之，沒有能為A/D轉(zhuǎn)換器計算TUE最大值的確定公式，因為該誤差取決于A/D轉(zhuǎn)換器工作時的輸入范圍。如果系統(tǒng)不需要采用A/D轉(zhuǎn)換器的整個輸入范圍，那么工程師可通過使該器件遠離其傳遞函數(shù)的端點運行來最大限度地減小TUE。 |
