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了解模数转换器规格 By Len Staller Silicon Laboratories Inc. 模数转换器 (ADC) 有许多常用词汇，但若观察制造商在组件资料表 (data sheet) 中定义模数转换 器效能的方式，却常会发现它们令人混淆不清，刚接触模数转换器的工程师对此尤感困扰，因为 他们必须了解这些规格，才能为应用选择正确的模数转换器。这份手册将帮助工程师深入了解制 造商的组件资料表中用来描述逐次逼近SAR (Successive Approximation Register) 模数转换器效能 的各种常见规格。 模数转换器会把模拟讯号输入转换成为数字编码输出，然而其量测值和理想值之间总会有所差 距，这是因为半导体组件难免出现制程变异 (process variation) ，模拟数字转换过程又充斥着各种 误差来源。模数转换器的效能规格会将其自身造成的误差量化。 模数转换器的效能规格通常有两种分类方式：直流精确度和动态效能。一般而言，多数应用都是 以模数转换器来量测类似于直流的静态讯号 (例如温度传感器或应力仪电压) 或是动态讯号 (例如 语音讯号处理或音调侦测) ，这些应用就决定了哪些规格对于设计人员最重要。 例如双音多频 (DTMF) 译码器会对电话讯号进行取样，再根据取样结果判断使用者按了哪一个电 话键，这类应用的关键在于从其它音调和转换器量测误差所造成的噪声中取得目标讯号的功率量 测值 (在所指定的一组频率内) 。在这类设计里，工程师最关心动态效能规格，例如信噪比和谐波 失真。在其它例子里，系统可能需要测量感应器输出以决定流体温度，此时最重要的是量测结果 的直流精确度，因此偏移值 (offset) 、增益和非线性特性就成为关键。 直流精确度 许多讯号相对而言属于静态，例如温度感应器或压力换能器所送出的讯号；在这类应用中，电压 量测值会与某些物理量测值有关，而其关键部份在于电压量测值的绝对精确度。描述这类精确度 的模数转换器规格包括偏移误差 (offset error) 、满刻度误差 (full-scale error) 、差分非线性误差 (Differential Nonlinearity，简称DNL) 、积分非线性误差 (Integral Nonlinearity ，简称INL) 以及量 化误差 (quantization error) ，这五项规格完整描述模数转换器的绝对精确度。 资料转换过程本身就是模数转换器量测值的基本误差来源之一，它称为量化误差；所有的模数转 换器量测值都无法避免此误差。资料转换过程所产生的量化噪声是由量测分辨率决定。 理想的模数转换器转移函数 模数转换器的转移函数 (transfer function) 是其输入电压与输出码之间的关系图，它不是连续曲 线，而是 2N 个码的图，其中 N 为模数转换器的分辨率。若用线条将这些码连起来 (通常在编码 变换的分界点上) ，那么理想转移函数应为直线。绘一条线通过所有编码分界点，则其起点会在 转移函数图的原点，每个模数转换器的转移函数图也会有相同斜率 (参考图1)。 图1：3 位模数转换器的理想转移函数 图1 是3 位模数转换器的理想转移函数，其参考点取在编码变换的分界点，当输入电压小于满刻 度的 1/8 时，输出码就等于最小编码值 (000b) ；另外须注意的是，只要输入电压达到满刻度的 7/8 (而不是满刻度值) ，模拟转换器的输出就会等于最大编码值 (111b) ，这表示模数转换器并不 是在满刻度输入电压时才提供最大数字输出，该变换发生在比满刻度输入电压 (亦即参考电压值) 还小一个编码宽度 (或最小有效位，LSB) 的位置。 设计转移函数时可为其增加-1/2 LSB 的偏移值，这会导致转移函数向左移动，使得量化误差范围 从 (–1 至0 LSB) 变换至 (–1/2 至 +1/2 LSB) ；虽然这个偏移值是故意加上去的，但组件资料表通 常会将其列为偏移误差的一部份 (请参考后面的偏移误差说明) 。 图2 ：增加-1/2 LSB 偏移量的3 位模数转换器转移函数