| 作者：孫孝波 辛建國
前言
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,模數(shù)轉(zhuǎn)換器是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度以及系統(tǒng)的成本直接影響到系統(tǒng)的實(shí)用性,因此,如何提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度和降低系統(tǒng)的成本是衡量系統(tǒng)是否具有實(shí)際應(yīng)用價值的標(biāo)準(zhǔn)。 一般來說,想提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度,勢必會引起成本的增加,這就要求我們按照具體的精度要求合理的設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換器,來達(dá)到具體的要求和降低系統(tǒng)的成本。在精度要求不是很高的場合,我們經(jīng)常利用嵌入微控制器片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,以此來降低系統(tǒng)的成本,但由此又產(chǎn)生了另外的問題,嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是否具有所要求的精度,若超出測量范圍如何與測量電路進(jìn)行接口,以及如何減小微控制器的電磁干擾提高嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度問題。這都要求我們采取不同的措施來提高嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。 1 精度與分辨率 ADC的精度和分辨率是兩個不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的偏差;分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。ADC分辨率的高低取決于位數(shù)的多少。一般來講,分辨率越高,精度也越高,但是影響轉(zhuǎn)換器精度的因素很多,分辨率高的ADC,并不一定具有較高的精度。精度是偏移誤差、增益誤差、積分線性誤差、微分線性誤差、溫度漂移等綜合因素引起的總誤差。因量化誤差是模擬輸入量在量化取整過程中引起的,因此,分辨率直接影響量化誤差的大小,量化誤差是一種原理性誤差,只與分辨率有關(guān),與信號的幅度,采樣速率無關(guān),它只能減小而無法完全消除,只能使其控制在一定的范圍之內(nèi),一般在±1／2LSB范圍內(nèi)。 1.1 偏移誤差 偏移誤差是指實(shí)際模數(shù)轉(zhuǎn)換曲線中數(shù)字0的代碼中點(diǎn)與理想轉(zhuǎn)換曲線中數(shù)字0的代碼中點(diǎn)的最大差值電壓。這一差值電壓稱作偏移電壓,一般以滿量程電壓值的百分?jǐn)?shù)表示。在一定溫度下,多數(shù)轉(zhuǎn)換器可以通過對外部電路的調(diào)整,使偏移誤差減小到接近于零,但當(dāng)溫度變化時,偏移電壓又將出現(xiàn),這主要是由于輸入失調(diào)電壓及溫漂造成的。一般來說,溫度變化較大時,要補(bǔ)償這一誤差是很困難的。 1.2 增益誤差 增益誤差是轉(zhuǎn)換器輸出全“1”時,實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。它使傳輸特性曲線繞坐標(biāo)原點(diǎn)偏離理想特性曲線一定的角度,即增益誤差表示模數(shù)轉(zhuǎn)換特性曲線的實(shí)際斜率與理想斜率的偏差,它的數(shù)值一般用滿量程的百分比來表示。 ADC的理想傳輸函數(shù)的關(guān)系式是  （1）
式中Un是沒有量化時的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓,由于存在增益誤差,式（1）變?yōu)?nbsp;
 （2）
式中的K為增益誤差因子。當(dāng)K＝l時,沒有增益誤差。當(dāng)K＞1時,傳輸特性曲線的斜率變大,臺階變窄,在輸入模擬信號達(dá)到滿量程值之前,數(shù)字輸出就己全“l(fā)”狀態(tài)。當(dāng)K＜1時,傳輸特性曲線的斜率變小,臺階變寬,輸入模擬信號己超滿量程值時,數(shù)字輸出還未達(dá)到全“1”狀態(tài)輸出。 在一定溫度下,可通過外部電路的調(diào)整使K＝l,從而消除增益誤差。 1.3 線性誤差 線性誤差又稱積分線性誤差,是指在沒有偏移誤差和增益誤差的情況下,實(shí)際傳輸曲線與理想傳輸曲線之差。線性誤差一般不大于1／2LSB。因為線性誤差是由ADC特性隨輸入信號幅值變化而引起的,因此線性誤差是不能進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?而且線性誤差的數(shù)值會隨溫度的升高而增加。 1.4 微分線性誤差 微分線性誤差是指實(shí)際代碼寬度與理想代碼寬度之間的最大偏差,以LSB為單位,微分線性誤差也常用無失碼分辨率表示。 由于時間和溫度的變化,電源可能會有一定的變化,有時可能是造成影響ADC精度的主要原因,因此在要求比較高的場合,必須保證電源的穩(wěn)定性,使其隨溫度和時間的變化量在所允許的范圍之內(nèi),但在一般的場合,往往可以不考慮其對系統(tǒng)的影響。 2 嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及影響轉(zhuǎn)換的原因和消除方法 所謂嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是指將模擬多路開關(guān)、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、微控制器集成在一個芯片上,經(jīng)常采用逐次比較型進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,模擬輸入信號一般為非負(fù)單極性,且輸入信號的電壓范圍為0～AVREF,A/D轉(zhuǎn)換器具有獨(dú)立的模擬電源與參考電壓。 在實(shí)際應(yīng)用中,由于輸入信號的輸出電阻不同,如果輸出電阻過大,會引起實(shí)際測量的電壓分壓過小,因而引起測量值較實(shí)際值偏小;或者由于輸入信號為雙極性模擬信號,不能直接與嵌入式微控制器相連,必須采取特殊措施,使雙極性模擬信號轉(zhuǎn)換為可以直接測量的非負(fù)單極性信號;還有如果輸入信號幅值過大,以至于超過參考電壓,也必須引入將壓環(huán)節(jié),使輸入電壓低于參考電壓,等等,下面對以上影響逐一進(jìn)行分析。 2.1 模擬輸入信號阻抗對采樣的影響 采樣過程是采樣電容充電,跟蹤輸入模擬信號電壓的過程,由于采樣電路存在模擬多路開關(guān)阻抗、采樣開關(guān)阻抗和輸入信號源阻抗,因此,其轉(zhuǎn)換時間受模擬多路開關(guān)阻抗、采樣開關(guān)阻抗與輸入信號源阻抗的影響,模擬多路開關(guān)與輸入信號源的阻抗越大則其轉(zhuǎn)換時間越長。 逐次比較型A/D的輸入端等效電路如下圖所示： |
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