一文了解数据转换器的线性度误差!

亚德诺半导体 2023-10-11 18:01

转换器的积分线性度误差类似于放大器的线性度误差,定义为转换器的实际传递特性与直线间的最大偏差,一般表示为满量程的百分比(但也可以LSB为单位)。对于ADC,最常用的做法是穿过代码中点或码中心画一条直线。选择直线有两种常用方法:端点法和最佳直线法,如图1所示。


图1:积分线性度误差的测量方法(两张图均为同一转换器)


在端点系统中,以通过原点和满量程点的直线为基础测量偏差(增益调整后)。对于数据转换器测量和控制应用,这是最有用的积分线性度测量方法(因为误差预算取决于与理想传递特性的偏差,而非某个随意的“最佳拟合”),也是ADI公司通常使用的方法。


然而,最佳直线法确实能够对交流应用的失真作出更好的预测,同时会使数据手册上的“线性度误差值”降低。最佳拟合直线是基于标准曲线拟合方法,通过器件的传递特性画成,最大偏差即基于该直线测得。一般来说,利用这种方法测得的积分线性度误差仅为端点法所测值的50%。可见,这种方法非常适合编制漂亮的数据手册,但对误差预算分析并不适用。对于交流应用,标定失真比直流线性度更有效,因此,很少需要用最佳直线法来定义转换器的线性度。


转换器的另一种非线性度为差分非线性度(DNL)。该项指标与转换器码转换的线性度有关。理想情况下,数字码每变化1 LSB,相当于模拟信号变化1 LSB。在DAC中,数字码每变化1 LSB会导致模拟输出正好变化1 LSB;而在ADC中,模拟输入变化1 LSB,数字转换将从一个进入下一个。差分线性度误差定义为整个传递函数与理想值1 LSB之间的任意最大偏差(或LSB变化)。


当相当于1 LSB数字变化的模拟信号变化量超过或不足1 LSB时,即存在DNL误差。转换器的DNL误差通常定义为在转换器整个范围的任何转换点的最大DNL。图2所示为DAC和 ADC的非理想传递函数以及DNL误差的影响。


图2:非理想3位DAC和ADC的传递函数


有关DAC DNL的详细分析见图3。如果DAC的DNL在任何转换点均小于–1 LSB,则该DAC 具有非单调性,即其传递特性含有一个或多个局部最大值或最小值。DNL大于+1 LSB时,不会导致非单调性,但仍然不理想。在许多DAC应用中(尤其是在非单调性可能使负反馈变成正反馈的闭环系统中),DAC的单调性非常重要。DAC单调性通常在数据手册中有明确规定,然而,如果DNL保证低于1 LSB(即|DNL| ≤ 1 LSB),则该器件一定具有单调 性,即使未明确指出。


图3:DAC差分非线性度详情


图4更加详细地描述了ADC的DNL。ADC可以为非单调,但ADC中过量的DNL通常会导致失码。就像DAC须避免非单调性一样,ADC必须避免失码。同样,DNL < –1 LSB时会导致失码。


图4:ADC差分非线性度详情


ADC不但可能存在失码,而且可能具有非单调性,如图5所示。与DAC的情况一样,这会导致严重问题,尤其是在伺服应用中。


图5:ADC失码及非单调性


DAC中不能存在失码——每个数字输入字都会产生相应的模拟输出。但DAC可能为非单调性,我们前面已提到过这一点。在直接二进制DAC中,最可能产生非单调性条件的地方是两个码之间的半量程点:011...11和100...00。如果这里具有产生非单调性条件,一般是因为DAC未得到正确校准或调整。内置非单调性DAC的逐次逼近ADC一般会产生失码但保持单调。然而,ADC有可能变成非单调——同样取决于具体的转换架构。图5显示同时具备非单调性和失码两种特性的ADC的传递函数。


采用分级架构的ADC将输入范围粗略分成多段,每段再分成更小的段——最后得到最终码。该过程详见本书第4章。调整不当的分级ADC可能在分级点表现出非单调性、宽码或失码,分别如图6A、图6B和图6C所示。这类ADC应进行调整,这样因老化或温度导致的漂移在敏感点产生宽码,而不是非单调性或失码。


图6:调整不当的分级ADC相关误差


定义失码比定义非单调性更难。所有ADC本身均存在一定的转换噪声问题,如图7所示(将其想像为DVM最后一位数的相邻值之间的跳动)。随着分辨率和带宽逐渐变高,导致转换噪声的输入范围可能达到甚至超过1 LSB。高分辨率宽带ADC一般存在内部噪声源,可能反射到输入,作为有效输入噪声,与信号相混合。这种噪声,尤其是与负DNL误差相结合后,可能使某些(甚至所有)码在整个输入范围内均存在转换噪声。因而,有些码可能没有相应的输入来确保该码为输出,虽然有些输入有时可能会产生该码。


图7:码转换噪声与DNL的组合效应


对于低分辨率ADC,可以将无失码定义为转换噪声与DNL的组合,由其保证所有码均一定量(可能为0.2 LSB)的无噪声码。然而,在现代Σ-Δ ADC所实现的极高分辨率下,这是无法实现的,即使是在低分辨率的宽带宽采样ADC中也无法实现。这些情况下,制造商必须以某些其他方式定义噪声电平和分辨率。到底采样哪种方法并不重要,但数据手册必须明确指出所用方法及预期性能。

ADI 拥有业界齐全的数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)产品系列,可提供符合各种性能、功耗、成本和尺寸需求的产品。作为全球较领先的供应商,ADI的这些数据转换器可在各类应用中实现精确可靠的转换性能,包括通信、能源、医疗、仪器仪表和测量、电机和功率控制、工业自动化。


目前,部分 DAC和ADC 产品及其评估板均可在 ADI 中国在线商城(ADI 官网中文产品页面)直接下单采购,本文分享几款最近新上的评估板,有需要的筒子可在产品页面进行下单哦~

EVAL-AD917x

AD917x评估板

可采购的型号包括:

  • AD9173-FMC-EBZ,¥1,405.84

  • AD9174-FMC-EBZ,¥1,358.98

  • AD9171-FMC-EBZ,¥1,405.84

  • AD9176-FMC-EBZ,¥1,358.98

  • AD9172-FMC-EBZ,¥1,405.84


AD9171、AD9172和AD9173评估板均为配备FMC连接器的小尺寸FMC板,符合Vita 57.1标准。这些FMC板还使用 Mini-Circuits 公司的 DAC 输出巴伦。


若要使用该评估板,用户必须将评估板连接到由FPGA供应商提供的FMC兼容载波板。ADI 生产的 FPGA 载波板称为 ADS7-V2,可用作数字模式发生器或数据源以及板电源。用于仅 NCO 的特殊模式时,AD917x 板可由实验室电源供电。详细操作说明参见wiki知识库上的“用户指南”部分。用户必须能够观察到频谱分析仪上的DAC输出。评估板上提供低噪声时钟源HMC7044 时钟频率合成器,用户可以提供低抖动外部正弦波或方波时钟选项作为时钟源。评估板附带称为 ACE 的软件,允许用户对SPI端口进行编程。通过 SPI 端口,DUT(和时钟电路)可被编程为其多种工作模式中的任意一种。使用 ADS7-V2 时,它还附带DAC软件套件,包括用于矢量生成、下载和传输至该评估板的 DPGDownloader。


EVAL-AD7768

AD7768评估板

可采购的型号包括:

  • AMC-ADA4805-2ARMZ,¥32.69

  • AMC-ADA4841-2ARMZ,¥32.69

  • EVAL-AD7768FMCZ,¥171.51

  • AMC-ADA4896-2ARMZ,¥32.69

  • AMC-ADA4500-2ARMZ,¥35.67

  • AMC-ADA4807-2ARMZ,¥32.69


EVAL-AD7768FMCZ 评估套件具有24位、256 kSPS、模数转换器(ADC) AD7768。一个7 V至9 V外部台式电源调节到5 V和3.3 V,以便为AD7768供电并支持元件。EVAL-AD7768FMCZ板通过与EVAL-SDP-CH1Z母板相连而连接到PC的USB端口。


AD7768评估软件全面配置AD7768器件寄存器功能,并提供波形图、直方图形式的DC和AC时域分析和相关的噪声分析,以便评估ADC性能。


EVAL-AD7768FMCZ评估板可使用户评估该ADC的特性。用户PC软件可执行文件通过EVAL-SDP-CH1Z系统演示平台板(SDP)利用USB电缆控制AD7768。AD7768评估软件需要运行Windows 7至Windows 10并带USB 2.0端口的PC。


EVAL-AD9253

AD9253 评估板

可采购的型号:

  • AD9253-125EBZ,¥310.27


AD9253CE01A评估板用于评估AD9253-125和AD9633-125四通道14和12位ADC。本参考设计提供在各种模式和配置下运行该器件所需的全部支持电路。它设计为可直接与HSC-ADC-EVALC的数据捕获卡进行接口,允许用户下载捕获的数据用于分析。Visual Analog软件包用来与器件的硬件部分实现接口,允许用户下载捕获的数据并通过用户友好型图形界面进行分析。同时,SPI控制器软件包也兼容硬件部分,允许用户使用AD9253和AD9633的SPI可编程功能。


EVAL-AD5380

AD5380 评估板

可采购的型号:

  • EVAL-AD5380SDZ,¥113.65

利用该评估板可轻松评估AD5380的功能与性能。评估板可在外部DSP或微控制器的控制下单独使用,也可连接PC使用。同时还提供用于AD5380寄存器的编程软件。对AD5380的控制则通过USB接口实现。该器件与AD5381引脚兼容。


EVAL-AD7616

AD7616评估板

可采购的型号包括:

  • EVAL-AD7616SDZ,¥75.72

  • EVAL-AD7616-PSDZ,¥75.72


EVAL-AD7616SDZ/EVAL-AD7616-PSDZ是一款单一的全功能评估板,专为轻松评估AD7616和AD7616-P模数转换器(ADC)的全部特性而设计。该评估板可通过120路高速系统演示平台(SDP-B)连接器(J10)由EVAL-SDP-CB1Z控制。EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板可通过PC的USB端口并使用评估板软件来控制评估板;评估板软件可从AD7616和AD7616-P产品页面下载。


AD7616和AD7616-P器件的完整技术规格参见AD7616和AD7616-P数据手册,使用评估板时,应同时参阅数据手册和用户指南(UG-1012)。有关EVAL-SDP-CB1Z的全部详细信息,请访问SDP-B产品页面。


DC2222A-A

集成可配置数字滤波器的32位/24位过采样ADC

可采购的型号包括:

  • DC590B,¥474.41

  • DC890B,¥2,571.67

  • DC2026C,¥693.31


演示电路2222A内置LTC2500-32、LTC2508-32和LTC2512-24 ADC。LTC2500-32、LTC2508-32和LTC2512-24均为集成可配置数字均值滤波器的低功耗、低噪声、高速32位/24位SAR ADC,采用2.5V单电源供电。下文针对LTC2508-32,但适用于所有器件,主要区别在于采样速率和位数。DC2222A演示了LTC2508-32配合使用DC590或DC2026 QuikEval和DC890 PScope数据采集板的直流和交流性能。使用DC590或DC2026演示直流性能,如峰峰值噪声和直流线性度。如需精密采样速率或演示交流性能,如SNR、THD、SINAD和SFDR,请使用DC890。DC2222A旨在说明此ADC的推荐接地、元件布置和选择、布线和旁路。


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亚德诺半导体 Analog Devices, Inc.(简称ADI)始终致力于设计与制造先进的半导体产品和优秀解决方案,凭借杰出的传感、测量和连接技术,搭建连接真实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识周围的世界。
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