嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用

前言
　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度以及系統(tǒng)的成本直接影響到系統(tǒng)的實(shí)用性，因此，如何提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度和降低系統(tǒng)的成本是衡量系統(tǒng)是否具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)。
　一般來(lái)說(shuō)，想提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度，勢(shì)必會(huì)引起成本的增加，這就要求我們按照具體的精度要求合理的設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，來(lái)達(dá)到具體的要求和降低系統(tǒng)的成本。在精度要求不是很高的場(chǎng)合，我們經(jīng)常利用嵌入微控制器片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，以此來(lái)降低系統(tǒng)的成本，但由此又產(chǎn)生了另外的問(wèn)題，嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是否具有所要求的精度，若超出測(cè)量范圍如何與測(cè)量電路進(jìn)行接口，以及如何減小微控制器的電磁干擾提高嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度問(wèn)題。這都要求我們采取不同的措施來(lái)提高嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。
　　1 精度與分辨率
　　ADC的精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的偏差；分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬信號(hào)的最小變化值。ADC 分辨率的高低取決于位數(shù)的多少。一般來(lái)講，分辨率越高，精度也越高，但是影響轉(zhuǎn)換器精度的因素很多，分辨率高的ADC，并不一定具有較高的精度。精度是偏移誤差、增益誤差、積分線性誤差、微分線性誤差、溫度漂移等綜合因素引起的總誤差。因量化誤差是模擬輸入量在量化取整過(guò)程中引起的，因此，分辨率直接影響量化誤差的大小，量化誤差是一種原理性誤差，只與分辨率有關(guān)，與信號(hào)的幅度，采樣速率無(wú)關(guān)，它只能減小而無(wú)法完全消除，只能使其控制在一定的范圍之內(nèi)，一般在±1／2LSB范圍內(nèi)。
　　1.1 偏移誤差
　　偏移誤差是指實(shí)際模數(shù)轉(zhuǎn)換曲線中數(shù)字0的代碼中點(diǎn)與理想轉(zhuǎn)換曲線中數(shù)字0的代碼中點(diǎn)的最大差值電壓。這一差值電壓稱(chēng)作偏移電壓，一般以滿量程電壓值的百分?jǐn)?shù)表示。在一定溫度下，多數(shù)轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)對(duì)外部電路的調(diào)整，使偏移誤差減小到接近于零，但當(dāng)溫度變化時(shí)，偏移電壓又將出現(xiàn)，這主要是由于輸入失調(diào)電壓及溫漂造成的。一般來(lái)說(shuō)，溫度變化較大時(shí)，要補(bǔ)償這一誤差是很困難的。
　　1.2 增益誤差
　　增益誤差是轉(zhuǎn)換器輸出全“1”時(shí)，實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。它使傳輸特性曲線繞坐標(biāo)原點(diǎn)偏離理想特性曲線一定的角度，即增益誤差表示模數(shù)轉(zhuǎn)換特性曲線的實(shí)際斜率與理想斜率的偏差，它的數(shù)值一般用滿量程的百分比來(lái)表示。
　　ADC的理想傳輸函數(shù)的關(guān)系式是
（1）

式中Un是沒(méi)有量化時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓，由于存在增益誤差，式（1）變?yōu)?
（2）
式中的K為增益誤差因子。當(dāng)K＝l時(shí)，沒(méi)有增益誤差。當(dāng)K＞1時(shí)，傳輸特性曲線的斜率變大，臺(tái)階變窄，在輸入模擬信號(hào)達(dá)到滿量程值之前，數(shù)字輸出就己全“l(fā)”狀態(tài)。當(dāng)K＜1時(shí)，傳輸特性曲線的斜率變小，臺(tái)階變寬，輸入模擬信號(hào)己超滿量程值時(shí)，數(shù)字輸出還未達(dá)到全“1”狀態(tài)輸出。
　　在一定溫度下，可通過(guò)外部電路的調(diào)整使K＝l，從而消除增益誤差。
　　1.3 線性誤差
　　線性誤差又稱(chēng)積分線性誤差，是指在沒(méi)有偏移誤差和增益誤差的情況下，實(shí)際傳輸曲線與理想傳輸曲線之差。線性誤差一般不大于1／2LSB。因?yàn)榫€性誤差是由ADC特性隨輸入信號(hào)幅值變化而引起的，因此線性誤差是不能進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模揖€性誤差的數(shù)值會(huì)隨溫度的升高而增加。
　　1.4 微分線性誤差
　　微分線性誤差是指實(shí)際代碼寬度與理想代碼寬度之間的最大偏差，以LSB為單位，微分線性誤差也常用無(wú)失碼分辨率表示。
　　由于時(shí)間和溫度的變化，電源可能會(huì)有一定的變化，有時(shí)可能是造成影響ADC精度的主要原因，因此在要求比較高的場(chǎng)合，必須保證電源的穩(wěn)定性，使其隨溫度和時(shí)間的變化量在所允許的范圍之內(nèi)，但在一般的場(chǎng)合，往往可以不考慮其對(duì)系統(tǒng)的影響。
　　2 嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及影響轉(zhuǎn)換的原因和消除方法
　　所謂嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是指將模擬多路開(kāi)關(guān)、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、微控制器集成在一個(gè)芯片上，經(jīng)常采用逐次比較型進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬輸入信號(hào)一般為非負(fù)單極性，且輸入信號(hào)的電壓范圍為0～AVREF，A/D轉(zhuǎn)換器具有獨(dú)立的模擬電源與參考電壓。