ADC和DAC中INL 和DNL的解释

ictest

在ADC和DAC应用中INL、DNL等几个参数是比较重要的参数，可是似乎知道这几个参数具体意义的朋友并不多。
   说起来都是教科书害人。几乎所有的教科书、参考书、文献选编都只关心模数器件的分辨率和速度，而忽略了器件的精度。而关系到器件精度的两个非常重要的参数就是INL值和DNL值。小弟觉得非常有必要专门写一篇贴子来普及一下模数器件精度这个重要的概念。

   说精度之前，首先要说分辨率。最近已经有贴子热门讨论了这个问题，结论是分辨率决不等同于精度。比如一块精度0.2%（或常说的准确度0.2级）的四位半万用表，测得A点电压1.0000V，B电压1.0005V,可以分辨出B比A高0.0005V，但A点电压的真实值可能在0.9980~1.0020之间不确定。

   那么,既然数字万用表存在着精度和分辨率两个指标，那么,对于ADC和DAC，除了分辨率以外，也存在精度的指标。
   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。

   很多分辨率相同的ADC，价格却相差很多。除了速度、温度等级等原因之外，就是INL、DNL这两个值的差异了。比如AD574,贵得很，但它的INL值就能做到0.5LSB，这在SAR型ADC中已经很不容易了。换个便宜的2543吧，速度和分辨率都一样，但INL值只有1~1.5LSB，精度下降了3倍。

   另外，工艺和原理也决定了精度。比如SAR型ADC，由于采用了R-2R或C-2C型结构，使得高权值电阻的一点点误差，将造成末位好几位的误差。在SAR型ADC的2^n点附近，比如128、1024、2048、切换权值点阻，误差是最大的。1024值对应的电压甚至可能会比1023值对应电压要小。这就是很多SAR型器件DNL值会超过1的原因。但SAR型ADC的INL值都很小，因为权值电阻的误差不会累加。
   和SAR型器件完全相反的是阶梯电阻型模数/数模器件。比如TLC5510、DAC7512等低价模数器件。比如7512，它由4095个电阻串联而成。每个点阻都会有误差，一般电阻误差5%左右，当然不会离谱到100%，更不可能出现负数。因此这类器件的DNL值都很小,保证单调。但是，每个电阻的误差，串联后会累加，因此INL值很大，线性度差。

   这里要提一下双积分ADC，它的原理就能保证线性。比如ICL7135，它在40000字的量程内，能做到0.5LSB的INL值（线性度达到1/80000 !!）和0.01LSB的DNL值.这两个指标在7135的10倍价钱内，是不容易被其他模数器件超越的。所以7135这一类双积分ADC特别适合用在数字电压表等需要线性误差非常小的场合。

   还要特别提一下基准源。基准源是测量精度的重要保证。基准的关键指标是温飘，一般用ppm/K来表示。假设某基准30ppm/K，系统在20~70度之间工作，温度跨度50度，那么，会引起基准电压30*50=1500ppm的漂移，从而带来0.15%的误差。温漂越小的基准源越贵，比如30ppm/K的431，七毛钱；20ppm/K的385，1块5；10ppm/K的MC1403，4块5；1ppm/K的LM399,14元；0.5ppm/K的LM199，130元。
   该死的教科书害了一代学生。说起来好笑的一个现象：我这边新来的学生大多第一次设计ADC电路的时候，基准直接连VCC，还理直气壮的找来N本教科书，书上的基准写了个网标：+5V。天下的书互相抄，也就所有的学校的教科书都是基准接5V。教科书把5V改成5.000V多好？学生就会知道，这个5V不是VCC。或者提一下基准需要高稳定度，也好啊！ 

   最后说一下Sigma-Delta型ADC，它比较特殊，对于精度，一般用直接用线性度表示，比如0.0015%.不说差分非线性值，而直接用有效分辨率来表示。此外，Sigma-Delta型ADC还存许多怪脾气，难伺候。 

问一个问题: 芯片管脚越多，是不是需要更多的系统channels?

admin

从某种程度上来说是这样

trillion

问下：对于AD，它的LSB怎么定义？测试时，怎么计算LSB？谢谢

admin

可以这么解释：LSB就是输出数字代码的最低位，所代表的模拟电压量，它与量程及ADC的位数有关，对于满量程电压2.5V，12位的ADC，它的LSB=2.5v/4096（2的12次方）=0.00061035V=0.61035mv

admin

AD采样注意的事项
参考电压需要足够精确,推荐使用外部高精准参考电压. 2:如果PGA可调,增益系数一般是越小噪声越低. 3:一般最好用到满量程,此时AD精度不浪费. 4:如果有偏置,需要进行自校. 5:请注意在使用DEMO板调试时,会由调试口导入PC噪声,由信号连接线导入外部噪声,因此建议使用屏蔽电缆传输信号. 6:板上注意模拟电源和数字电源,以及模拟地和数字地要分开,减少耦合噪声路径. 7:使用差分输入可以减少共模噪声,但是差模噪声会增大. 8:如果是片内集成AD的MCU,支持高速时钟,如果不影响性能,内部工作时钟越低,对您的AD采样引起的干扰越小,如果是板上就需要注意走线和分区. 9:信号输入前级接滤波电路,一般一阶RC电路较多,注意Fc=1/1000~1/100 采样频率,电阻和电容的参数注意选取.信号接入后级接滤波电路最好采用sinc滤波方式.注意输入偏置电流会限制您外部的滤波电阻阻值的大小. R x Ib < 1LSB. 有的片内AD还有集成输入Buffer,有助与抑制您的噪声,一般是分两当,看输入信号范围和满量程之间的关系. AD分为很多中,SAR,FLASH,并行比较型,逐次逼近型,Delta sigma型,一般是速度越高,精度越高越贵,所以ADI之类的公司一直那么富裕,赚黑钱...... 针对不同场合不同成本不同要求分别选用. 还得注意是您的Layout. 经验数据:做到以上几点,您的分辨率会提高好几位.

altra

技术很强啊，那么实际的测试到底该怎样做呢？

bjpony

学习了，感谢楼主分享！ 纺织检测

firefly

触摸屏控制器的INL大概是这样测试的：
在AUX引脚输入电压，这个电压通常是VREF/2,VREF/16等，看具体要求，DIN端加入PATTERN,按照时序图抓取DOUT端的数据,通常会抓取多个周期数据再取其平均值。

16pxl3vq

顶一下美女楼主的！