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单片机中文网 · 更新于 2018-11-28 11:00:43

17.2 A/D(模数转换)的主要指标

我们在选取和使用 A/D 的时候,依靠什么指标来判断很重要。由于 AD 的种类很多,分为积分型、逐次逼近型、并行/串行比较型、Σ-Δ 型等多种类型。同时指标也比较多,并且有的指标还有轻微差别,在这里我是以同学们便于理解的方法去讲解,如果和某一确定类型 A/D 概念和原理有差别,也不会影响实际应用。

ADC 的位数

一个 n 位的 ADC 表示这个 ADC 共有2的 n 次方个刻度。8位的 ADC,输出的是从0~255一共256个数字量,也就是2的8次方个数据刻度。

基准源

基准源,也叫基准电压,是 ADC 的一个重要指标,要想把输入 ADC 的信号测量准确,那么基准源首先要准,基准源的偏差会直接导致转换结果的偏差。比如一根米尺,总长度本应该是1米,假定这根米尺被火烤了一下,实际变成了1.2米,再用这根米尺测物体长度的话自然就有了较大的偏差。假如我们的基准源应该是 5.10 V,但是实际上提供的却是 4.5 V,这样误把 4.5 V 当成了 5.10 V 来处理的话,偏差也会比较大。

分辨率

分辨率是数字量变化一个最小刻度时,模拟信号的变化量,定义为满刻度量程与 2n-1 的比值。假定 5.10 V 的电压系统,使用8位的 ADC 进行测量,那么相当于0~255一共256个刻度把 5.10 V 平均分成了255份,那么分辨率就是 5.10/255 = 0.02 V。

INL(积分非线性度)和 DNL(差分非线性度)

初学者最容易混淆的两个概念就是“分辨率”和“精度”,认为分辨率越高,则精度越高,而实际上,两者之间是没有必然联系的。分辨率是用来描述刻度划分的,而精度是用来描述准确程度的。同样一根米尺,刻度数相同,分辨率就相当,但是精度却可以相差很大,如图17-2所示。

图17-2 米尺精度对比

图17-2 表示的精度一目了然,不需多说。和 ADC 精度关系重大的两个指标是 INL(Integral NonLiner)和 DNL(Differencial NonLiner)。

INL 指的是 ADC 器件在所有的数值上对应的模拟值,和真实值之间误差最大的那一个点的误差值,是 ADC 最重要的一个精度指标,单位是 LSB。LSB(Least Significant Bit)是最低有效位的意思,那么它实际上对应的就是 ADC 的分辨率。一个基准为 5.10 V 的8位 ADC,它的分辨率就是 0.02 V,用它去测量一个电压信号,得到的结果是100,就表示它测到的电压值是 100*0.02 V=2 V,假定它的 INL 是 1LSB,就表示这个电压信号真实的准确值是在 1.98 V~2.02 V 之间的,按理想情况对应得到的数字应该是99~101,测量误差是一个最低有效位,即 1LSB。

DNL 表示的是 ADC 相邻两个刻度之间最大的差异,单位也是 LSB。一把分辨率是1毫米的尺子,相邻的刻度之间并不都刚好是1毫米,而总是会存在或大或小的误差。同理,一个 ADC 的两个刻度线之间也不总是准确的等于分辨率,也是存在误差,这个误差就是 DNL。

一个基准为 5.10 V 的8位 ADC,假定它的 DNL 是 0.5LSB,那么当它的转换结果从100增加到101时,理想情况下实际电压应该增加 0.02 V,但 DNL 为 0.5LSB 的情况下实际电压的增加值是在 0.01~0.03 V 之间。值得一提的是 DNL 并非一定小于 1LSB,很多时候它会等于或大于 1LSB,这就相当于是一定程度上的刻度紊乱,当实际电压保持不变时,ADC 得出的结果可能会在几个数值之间跳动,很大程度上就是由于这个原因(但并不完全是,因为还有无时无处不在的干扰的影响)。

转换速率

转换速率,是指 ADC 每秒能进行采样转换的最大次数,单位是 sps(或 s/s、sa/s,即 samples per second),它与 ADC 完成一次从模拟到数字的转换所需要的时间互为倒数关系。ADC 的种类比较多,其中积分型的 ADC 转换时间是毫秒级的,属于低速 ADC;逐次逼近型 ADC 转换时间是微妙级的,属于中速 ADC;并行/串行的 ADC 的转换时间可达到纳秒级,属于高速 ADC。

ADC 的这几个主要指标大家先熟悉一下,对于其它的,作为一个入门级别的选手来说,先不着急深入理解。以后使用过程中遇到了,再查找相关资料深入学习,当前重点是在头脑中建立一个 ADC 的基本概念。