上周,我把家里的地毯换成了木制地板。在移除客厅楼梯的地毯后,我注意到原本“一致”的楼梯台阶的进深宽度其实很不均匀。对此,我感到非常惊奇,因为这么多年来我上上下下却从未注意到台阶是不均匀的。这是因为地毯绝妙地掩盖了这个问题。

以我书呆子式的思维方式,这让我不禁想到了高分辨率SAR模数转换器(ADC)的问题。我原本以为我家的楼梯是均匀的,就像具有完美对称的量化步进的无噪声ADC的理想转换函数一样。图1为3位ADC的示例。

 

1. ADC转换函数——“均匀一致的楼梯

 

这让我这个书呆子再次开动脑筋思考,我家里不太完美的楼梯在尺寸上是非线性的(图2),这与ADC代码转换永远不会完全均匀的情况非常类似。ADC的这种不均匀特性主要取决于两个方面,即微分非线性(DNL)误差和积分非线性(INL)误差。这两种误差都是由ADC内部电容器与电阻的内在不匹配性造成的。

 

2. ADC非线性——“真实的楼梯

 

此外,楼梯地毯的作用就像一层被添加到(和重叠到)ADC转换函数上的直流“转换噪声”(图3)。这种噪声来自包括参考源等在内的ADC内部电路。噪声底限能够隐藏ADC台阶响应的真实非线性形状。

 

3. ADC非线性噪声——“铺上地毯的楼梯

 

就像家里的楼梯一样,这个信息在ADC数据表中也不明显。不过,ADC规格表列出了噪声功率的典型值,即“转换噪声”的均方根值。

另外,还可在数据表“典型曲线”部分中的直流直方图中查找到该值。输出代码的分布情况代表了转换噪声的峰至峰值,该值通常等于很少的LSB。图4以18位SAR ADC ADS8881为例对此进行了说明。

 

电气特性

所有规格的最小值和最大值的条件都是TA = -40℃至+85℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V, VREF = 5V, VCM = VREF / 2V, fSAMPLE = 1 MSPS,除非另有说明。典型规格条件为TA = +25℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V。

 

  

4. ADS8881数据表给出了转换噪声和直流直方图曲线

 

如果使用DNL/INL对楼梯的“不均匀性”进行量化,情况会如何呢?有时很难理解,如何测量DNL/INL才能达到比峰至峰转换噪声更高的精度水平,而且还要确保实现。

ADS8881(图5)为例。当因转换噪声问题导致ADC输出信号出现高达+5LSB的误差时,怎样才能显示1.5LSB的DNLMAX规格值?换言之,在楼梯铺上地毯时,我们怎样才能看到它的不均匀性?

 

电气特性

所有规格的最小值和最大值的条件都是TA = -40℃至+85℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V, VREF = 5V, VCM = VREF / 2V, fSAMPLE = 1 MSPS,除非另有说明。典型规格条件为TA = +25℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V。

 

 

5. ADS8881数据表给出了DNLINL规格

 

其实,我已经给出了答案——移除地毯!与此类似,要想测量高分辨率ADC的真实线性(INL/DNL)度,需要首先消除直流转换噪声,然后观察下面的噪声底限。

在ADC中,平均值法是消除ADC中噪声“地毯”的主要工具,用以测量正确的INL/DNL,这是因为转换噪声具有白噪声特性。

为了求得平均值,需要应用来自非常稳定的基准或数模转换器(DAC)输出的已知电压,然后再执行多次采样和转换稳定输入电压,并对数字输出代码求平均值,从而确定出特定点的线性度。

如果在阅读ADC产品说明书时感到一团糟,那么请花点时间理清思路,想想我所介绍的楼梯比喻。这样对ADC的非线性问题就会豁然开朗!

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2013/09/03/trying-to-find-adc-non-linearity-look-under-the-carpet