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ADC的积分非线性和微分非线性
模数器件的精度指标是用积分非线性度(Interger NonLiner)即INL 值来表示。
也有的器件手册用 Linearity error 来表示。他表示了ADC 器件在所有的数值点
上对应的模拟值,和真实值之间误差最大的那一点的误差值。也就是,输出数值
偏离线性最大的距离。单位是LSB (即最低位所表示的量)。
比如12 位ADC :TLC2543 ,INL 值为1LSB。那么,如果基准4.095V ,测某电
压得的转换结果是1000,那么,真实电压值可能分布在0.999~1.001V 之间。
对于DAC 也是类似的。比如DAC7512,INL 值为8LSB,那么,如果基准4.095V ,
给定数字量1000,那么输出电压可能是0.992~1.008V 之间。
下面再说DNL 值。理论上说,模数器件相邻量个数据之间,模拟量的差值都是
一样的。就相一把疏密均匀的尺子。但实际并不如此。一把分辨率1 毫米的尺子,
相邻两刻度之间也不可能都是1 毫米整。那么,ADC 相邻两刻度之间最大的差
异就叫差分非线性值(Differencial NonLiner )。DNL 值如果大于1,那么这个
ADC 甚至不能保证是单调的,输入电压增大,在某个点数值反而会减小。这种
现象在SAR (逐位比较)型ADC 中很常见。
举个例子,某12 位ADC ,INL=8LSB,DNL=3LSB (性能比较差),基准4.095V ,
测A 电压读数1000,测B 电压度数1200。那么,可判断B 点电压比A 点高
197~203mV。而不是准确的200mV 。对于DAC 也是一样的,某DAC 的DNL
值3LSB 。那么,如果数字量增加200,实际电压增加量可能在197~203mV 之
间。
总结:
(1)INL(Interger NonLinear,Linearity error)精度。理解为单值数据误差,对应
该点模拟数据由于元器件及结构造成的
不能精确测量产生的误差。
(2 )DNL(Differential NonLinear)差分非线性值。理解为刻度间的差值,即对每
个模拟数据按点量化,由于量化产生的误
差。
例子:
(1)INL,精度
比如12 位ADC :假设基准Vref=4.095V,那么1LSB=Vref/2^12=0.001V。
如果精度为1LSB,则它的单值测量误差0.001V*1=0.001V, 比如测量结果
1.000V,实际在1.000+/-0.001V 范围。
如果精度为8LSB,则他的单值测量误差0.001V*8=0.008V, 比如测量结果
1.000V,实际在1.000+/-0.008V 范围
(2)DNL,差分非线性值
比如12 位ADC :假设基准Vref=4.095V,那么1LSB=Vref/2^12=0.001V。不考
虑精度,即精度为0LSB,没有单值误差。
如果DNL=3LSB=0.001V*3=0.003V
假设A 实际电压为1.001V,B 实际电压为1.003V。理论上A 点读数
1.001V/1LSB=1001,B 点读数1.003V/1LSB=1003,B-A=2,BA ,
但由于DNL=3LSB=0.003V,模拟数据间的量化误差有0.003V,那么B-A 会在
-1(2-3=-1)到+5(2+3=5)之间的某一个数。
积分非线性(Integral nonlinearity,INL)
积分非线性表示了ADC 器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间
误差最大的那一点的误差值,也就是输出数值偏离线性最大的距离。单位是LSB。
例如,一个12bit 的ADC ,INL 值为1LSB,那么,对应基准4.095V ,测某电压
得到的转换结果是1.000V,那么,真实电压值可能分布在0.999V 到1.001V 之
间。
INL 是DNL 误差的数学积分,即一个具有良好INL 的ADC 保证有良好的
DNL。
总之,非线性微分和积分是指代码转换与理想状态之间的差异。非线性微分
(DNL)主要是代码步距与理论步距之差,而非线性积分(INL)则关注所有代码非线
性误差的累计效应。对一个ADC 来说,一段范围的输入电压产生一个给定输出
代码,非线性微分误差为正时输入电压范围比理想的大,非线性微分误差为负时
输入电压范围比理想的要小。从整个输出代码来看,每个输入电压代码步距差异
累积起来以后和理想值相比会产生一个总差异,这个差异就是非线性积分误差。
与增益和偏移一样,计算非线性微分与积分误差也有很多种方法,代码平均
和电压抖动两种方法都可以使用,但
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