ADC知识（2）——直流参数（输入电压参考，参考电流输入，积分非线性误差，差分非线性误差）

目录

四、       输入参考电压范围

五、       参考电流

六、       非线性问题

差分非线性误差

积分非线性

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四、       输入参考电压范围

大多数数据手册中，将它定义为一个特定的参考电压值，通常这个电压作为 此转换器最常用的参考电压。在参考输入电压范围内，使用任何其他参考电压值 器件的性能与指定的电压值是相同的。但是并不意味着这个参数不够重要，在设计中需要选取合适的参考电压范围，从而更好的利用ADC的动态范围。

图 5未完全利用ADC动态范围

在数据手册中往往会说明，参数是如何受不同参考电压影响的，以ADS9110 为例给出了指定的参考范围中不同的参考电压对于性能的影响：

以上的所述均为参考电压范围对于性能的影响。另一个方面，参考电压的输入纹波也会对器件的性能造成极大的影响。这个我后期再讲。

五、       参考电流
 

SAR型ADC的输入参考端，连接到了一组开关电容上，在转换周期内开关电容连接到了比较电路，与参考电压比较，进行快速的充电和放电，对于整个转换周期中，输入参考电流最大的那个值，作为内部电容充电的起始位（关于SAR型ADC的具体详细工作流程请自行百度）。有的ADC会指出这一个参数。

这个表展示的是 ADS8881 的例子 可以看出在整个转化中 它的典型电流值是 300μA。注意，这里的 300μA 是指的平均电流。一般在实际电流最大可以达到几个mA，同时还需要注意的是。假如整个转换周期为100nS，可能到达峰值之前的时间就有十几纳秒。一般情况下我们会在输入电容端，放置一个较大的滤波电容。以来满足电流的快速瞬态响应，同时参考端也会提供一个平均电流，来补充电容器之间的快速变化。一般情况下瞬变的时间相对较短。所以在 ADC的参考端会需要一个较宽的宽带缓冲区。数据手册中的参考端应该放置何种电容（封装，材料，容量等等）正是基于此得到的。在设计中一定不可以忽视这个问题。

六、       非线性问题

为了讨论ADC的非线性问题，首先需要先了解ADC的理想模型。

这里呈现的是一个 ADC 的理想传输函数水平轴表示连续的模拟输入信号 纵轴显示的是数字输出代码。可以被认为 将模拟输入信号近似到随其最接近的数字对应位置。ADC的满量程输入范围在数字编码的总数上是被等量划分的，也就是将这个图中的红色的虚线转化成了阶梯性的蓝线 位数是指数字输出。在这个例子中我们有四位二进制数字用于表示满量程模拟信号。二进制数字代码数量是24即16。在本次例子中，用满量程电压（2V）除以16等于 0.125V 即为能测量的电压分辨（满量程输入范围为 0 到 2V 但最大可检测的输入电压是 是满量程减去一个 LSB，即 1.875V ）。

            图 8 理想ADC模型

 

差分非线性误差

差分非线性是用来衡量实际一个LSB和一个理想LSB之间的区别。

左图为直观的表示了ADC的差分非线性ED (Differential Linearity Error)从这个图中可以看出。一些数字输出对应的宽度要比实际宽度长（或者更短）。如果与理想代码宽度相同，则差分非线性为零。

图 9 ADC差分非线性示意图

在某些极端情况下，当这种误差很大的时候，会导致完全跳过代码的转换。通常称为缺失代码。举个例子，假设在数字4`b1000处对应的数字量化宽度足够宽，以至于覆盖到1001对应的输出，导致任何模拟电压输入ADC都无法输出1001这个代码。丢失代码是很多电子系统中非常严重的问题，因此现在大多数的 ADC 都会设计和测试这个参数，以保证尽量减少不确定度。下图是一个更加实用的 18位 AD 转换的示例。这个图中是将计算了数千个 DNL组合在一起形成了一个图示。可以看出这颗器件的DNL通常是小于0.5个 LSB 的。是一个十分低噪声的ADC。当然了STM32 内部的ADC的性能就要差一些了。（依据手册通常在±1LSB最大可达±2LSB）。

积分非线性

 积分非线性是用来衡量 ADC 传递函数与拟合直线的比较。

为了消除增益和偏置误差，我们通常将实际ADC传递函数的两个端点进行拟合 在这个例子中，绿色的线就表示拟合直线。从初始代码 0000到终止代码 1111 对于一个理想的线性 ADC 它的拟合直线是处于传递函数的中间的。然而在这个情况下可以看出被测的函数，即为蓝色这条线。它偏离了线性拟合，所以具有一个正的积分非线性。与差分非线性相同积分非线性也可以表示在ADC的输出代码上，可以用 LSB 来表示，也可以用满量程的百分比来表示。一般来说这个误差相较于积分非线性误差来说要大好几倍（STM32的这两个指标如所示）。

图 12 STM32的积分非线性和差分非线性