發布日期：2022-04-28 點擊率：85
作者：Vinay Tucson Agarwal 德州儀器
上周，我把家里的地毯換成了木制地板。在移除客廳樓梯的地毯后，我注意到原本“一致”的樓梯臺階的進深寬度其實很不均勻。對此，我感到非常驚奇，因為這么多年來我上上下下卻從未注意到臺階是不均勻的。這是因為地毯絕妙地掩蓋了這個問題。
以我書呆子式的思維方式，這件讓我不禁想到了高分辨率 SAR 模數轉換器 (ADC) 的問題。我原本以為我家的樓梯是均勻的，就像具有完美對稱的量化步進的無噪聲 ADC 的理想轉換函數一樣。圖 1 顯示了 3 位 ADC 的實例情況。
圖 1.ADC 轉換函數——“均勻一致的樓梯”
這再次讓我這個書呆子開動腦筋思考，我家里不太完美的樓梯在尺寸上是非線性的（圖 2），這與 ADC 代碼轉換永遠不會完全均勻的情況非常類似。ADC 的這種不均勻特性主要取決于兩個方面，即微分非線性 (DNL) 誤差和積分非線性 (INL) 誤差。這兩種誤差都是由 ADC 內部電容與電阻的內在不匹配性造成的。
圖 2. ADC 非線性——“真實的樓梯”
此外，樓梯地毯的作用就像一層被添加到（和重疊到）ADC 轉換函數上的 DC“轉換噪聲”（圖 3）。這種噪聲來自包括參考源等在內的 ADC 內部電路系統。該噪聲底限能夠隱藏 ADC 臺階響應的真實非線性形狀。
圖 3. ADC 非線性噪聲 ——“鋪上地毯的樓梯”
就像家里的樓梯一樣，這個信息在 ADC 產品說明書中也不明顯。不過，ADC 規范表列出了噪聲功率的典型值，即“轉換噪聲”的均方根值。
另外還可在產品說明書“典型曲線”部分中的 DC 直方圖中查找到該值。輸出代碼的分布情況代表了轉換噪聲的峰至峰值，該值通常情況下均等于很小的 LSB。圖 4 以 ADS8881（18 位 SAR ADC）為例對此進行了闡述。
圖 4.ADS8881 產品說明書給出了轉換噪聲和 DC 直方圖曲線
如果使用 DNL/INL 對樓梯的“不均勻性”進行定量，情況會怎樣？有時很難理解，如何測量 DNL/INL 才能達到比峰至峰轉換噪聲更高的精度水平，而且還要確保實現。
以 ADS8881（圖 5）為例。當因轉換噪聲問題導致 ADC 輸出信號出現高達 +5LSB 的誤差時，我們怎樣才能顯示 1.5LSB 的 DNLMAX 規范值？換言之，在樓梯鋪上地毯時，我們怎樣才能看到它的不均勻性？
圖 5.ADS8881 產品說明書的 DNL 和 INL 規范值
其實，我已經給出了答案，那就是移除地毯！與此類似，要想測量高分辨率 ADC 的真實線性 (INL/DNL) 度，您需要首先消除 dc 轉換噪聲，然后觀察下面的噪聲底限。
在 ADC 域，平均值法是消除 ADC 中噪聲“地毯”的主要工具，用以測量正確的 INL/DNL，這是因為轉換噪聲具有白噪聲特性。
為了求得平均值，大家首先需要應用來自非常穩定的參考源或數模轉換器 (DAC) 輸出端的已知電壓，然后再執行多次采樣和轉換穩定輸入電壓，并對數字輸出代碼求平均值，從而確定出特定點的線性度。
如果您在閱讀 ADC 產品說明書時感到一團糟，那么請花點時間理清思路，想想我所介紹的樓梯比喻。這樣對 ADC 的非線性問題就會豁然開朗！
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