关于AD性能指标大扫盲

1、标签：AD精度分辨率LSB关于A/D的精度、分辨率与LSB误差的大扫盲最近做了一块板子，当然考虑到元器件的选型了，由于指标中要求精度比较高，所以对于AD的选型很慎重。我们所讲的精度通常是指它的精确度，其实这是错误的。精度又叫做精密度，是跟准确度相对应的一个概念。就像打靶一样，打的准，那就说它的准确度比较高；而每两个靶之间能打出的偏移越小，那它的精密度就越高。精密度与准确度合起来称为精确度。但是鉴于大家都将精度指代了精确度，那以下所说的精度如无特别指出，都是指精确度。很多人对于精度和分辨率的概念不清楚，这里我做一下总结，希望大家不要混淆。我们搞电子开发的，经常跟“精度”与“分辨率”打交道，这个问

2、题不是三言两语能搞得清楚的，在这里只作抛砖引玉了。简单点说，“精度”是用来描述物理量的准确程度的，而“分辨率”是用来描述刻度划分的。从定义上看，这两个量应该是风马牛不相及的。（是不是有朋友感到愕然a_a）。很多卖传感器的JS就是利用这一点来糊弄人的了。简单做个比喻：有这么一把常见的塑料尺（中学生用的那种），它的量程是10厘米，上面有100个刻度，最小能读出1毫米的有效值。那么我们就说这把尺子的分辨率是1毫米，或者量程的1%；而它的实际精度就不得而知了（算是0.1毫米吧）。当我们用火来烤一下它，并且把它拉长一段，然后再考察一下它。我们不难发现，它还有有100个刻度，它的“分辨率”还是1毫米，跟原

3、来一样！然而，您还会认为它的精度还是原来的0.1毫米么？（这个例子是引用网上的，个人觉得比喻的很形象！）回到电子技术上，我们考察一个常用的数字温度传感器：AD7416。供应商只是大肆宣扬它有10位的AD，分辨率是1/1024。那么，很多人就会这么欣喜:哇塞，如果测量温度0-100摄氏度，100/1024约等于0.098摄氏度！这么高的精度，足够用了。但是我们去浏览一下AD7416的数据手册，居然发现里面赫然写着：测量精度0.25摄氏度！所以说分辨率跟精度完全是两回事，在这个温度传感器里，只要你愿意，你甚至可以用一个14位的AD，获得1/16384的分辨率，但是测量值的精度还是0.25摄氏度八_

4、八所以很多朋友一谈到精度，马上就和分辨率联系起来了，包括有些项目负责人，只会在那里说：这个系统精度要求很高啊，你们AD的位数至少要多少多少啊其实，仔细浏览一下AD的数据手册，会发现跟精度有关的有两个很重要的指标：DNL和INL。似乎知道这两个指标的朋友并不多，所以在这里很有必要解释一下。DNL：DifferencialNonLiner微分非线性度INL：IntergerNonLiner积分非线性度(精度主要用这个值来表示)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)。当然，像有的AD

5、如系列的AD，也用Linearityerror来表示精度。为什么有的AD很贵，就是因为INL很低。分辨率同为12bit的两个ADC，一个INL=3LSB，而一个做到了1.5LSB,那么他们的价格可能相差一倍。LSB(LeastSignificantBit)，意为最低有效位；MSB(MostSignificantBit)，意为最高有效位，若MSB=1，则表示数据为负值，若MSB=0,则表示数据为正。当选择模数转换器(ADC)时，最低有效位(LSB)这一参数的含义是什么？有位工程师告诉我某某生产商的某款12位转换器只有7个可用位。也就是说，所谓12位的转换器实际上只有7位。他的结论是根据器件的失调

6、误差和增益误差参数得出的，这两个参数的最大值如下：失调误差=3LSB，增益误差=5LSB，乍一看，觉得他似乎是对的。从上面列出的参数可知最差的技术参数是增益误差(5LSB)。进行简单的数学运算，12位减去5位分辨率等于7位，对吗？果真如此的话，ADC生产商为何还要推出这样的器件呢？增益误差参数似乎表明只要购买成本更低的8位转换器就可以了，但看起来这又有点不对劲了。正如您所判断的，上面的说法是错误的。让我们重新来看一下LSB的定义。考虑一个12位串行转换器，它会输出由1或0组成的12位数串。通常，转换器首先送出的是最高有效位(MSB)(艮卩LSB+11)。有些转换器也会先送出LSB。在下面的讨论

7、中，我们假设先送出的是MSB(如图1所示)，然后依次送出MSB-1(即LSB+10)和MSB-2(卩卩LSB+9)并依次类推。转换器最终送出MSB-11(即LSB)作为位串的末位。LSB这一术语有着特定的含义，它表示的是数字流中的最后一位，也表示组成满量程输入范围的最小单位。对于12位转换器来说，LSB的值相当于模拟信号满量程输入范围除以212或4,096的商。如果用真实的数字来表示的话，对于满量程输入范围为4.096V的情况，一个12位转换器对应的LSB大小为1mV。但是，将LSB定义为4096个可能编码中的一个编码对于我们的理解是有好处的。让我们回到开头的技术指标，并将其转换到满量程输入范

8、围为4.096V的12位转换器中：失调误差=3LSB=3mV，增益误差=5LSB=5mV，这些技术参数表明转换器转换过程引入的误差最大仅为8mV（或8个编码）。这绝不是说误差发生在转换器输出位流的LSB、LSB-1、LSB-2、LSB-3、LSB-4、LSB-5、LSB-6和LSB-7八个位上，而是表示误差最大是一个LSB的八倍（或8mV）。准确地说，转换器的传递函数可能造成在4,096个编码中丢失最多8个编码。丢失的只可能是最低端或最高端的编码。例如，误差为+8LSB（+3LSB失调误差）+（+5LSB增益误差）的一个12位转换器可能输出的编码范围为0至4,088。丢失的编码为4088至40

9、95。相对于满量程这一误差很小仅为其0.2%。与此相对，一个误差为-3LSB（-3LSB失调误差）一（-5LSB增益误差）的12位转换器输出的编码范围为3至4,095。此时增益误差会造成精度下降，但不会使编码丢失。丢失的编码为0、1和2。这两个例子给出的都是最坏情况。在实际的转换器中，失调误差和增益误差很少会如此接近最大值。在实际应用中，由于ADC失调或增益参数的改进而使性能提升的程度微不足道，甚至可以忽略。但是，对于那些将精度作为一项设计目标的设计人员来说，这种假设太过绝对。利用固件设计可以很容易地实现数字校准算法。但更重要的是，电路的前端放大/信号调理部分通常会产生比转换器本身更大的误差。

10、通过上面的讨论可以对本文开头提到的错误结论有一个更为全面而清晰的认识。事实上，上述的12位转换器的精度约为11.997位。采用微处理器或单片机可以利用简单的校准算法消除这种失调和增益误差，这对设计人员来说无疑是个好消息。ADINLDNL2009-11-2319:45INL积分非线性（Integralnonlinearity,INL）积分非线性表示了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。例如，一个12bit的ADC，INL值为1LSB,那么，对应基准4.095V,测某电压得到的转换结果是1000b,那么,真实电

11、压值可能分布在0.999V到1.001V之间。INL是DNL误差的数学积分，即一个具有良好INL的ADC保证有良好的DNL。总之，非线性微分和积分是指代码转换与理想状态之间的差异。非线性微分（DNL）主要是代码步距与理论步距之差，而非线性积分（INL）则关注所有代码非线性误差的累计效应。对一个ADC来说，一段范围的输入电压产生一个给定输出代码，非线性微分误差为正时输入电压范围比理想的大，非线性微分误差为负时输入电压范围比理想的要小。从整个输出代码来看，每个输入电压代码步距差异累积起来以后和理想值相比会产生一个总差异，这个差异就是非线性积分误差。与增益和偏移一样，计算非线性微分与积分误差也有很多

12、种方法，代码平均和电压抖动两种方法都可以使用，但是由于存在重复搜索，当器件位数较多时这两种方法执行起来很费时。一个更加有效计算INL和DNL的方法是直方图法，采用线性或正弦直方图。图7说明了线性斜升技术的应用，首先使输入电压线性增加，同时对输出以固定间隔连续采样，电压逐步增加时连续几次采样都会得到同样输出代码，这些采样次数称为“点击数”。从统计上讲，每个代码的点击数量直接与该代码的相应输入电压范围成正比，点击数越多表明该代码的输入电压范围越大，非线性微分误差也就越大；同样，代码点击数越少表明该代码输入电压范围越小，非线性微分误差也就越小。用数学方法计算，如果某个代码点击数为9，而“理想”情况下

13、是8，则该器件的非线性微分误差就是(9-8)/8或0.125。非线性积分是所有代码非线性微分的累计值，对于斜升直方图，它就是每个非线性微分误差的和。从数学观点来看，非线性积分误差等于在代码X-1的非线性微分误差加上代码X和代码X-1的非线性微分误差平均值。ADC的INL,DNL(2009-12-2414:45:40)转载标签：PPm误差模数器件电压adcinldnl杂谈说精度之前，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0.00

14、05V,但A点电压的真实值可能在0.99801.0020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（IntergerNonLiner）即INL值来表示。也有的器件手册用Linearityerror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

15、压值可能分布在0.9991.001V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0.9921.008V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（DifferencialNonLiner）。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A

16、DC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197203mV。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197203mV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

17、11.5LSB,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2M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，