ADC 精度 第二部分：总的未调整误差解析

在关于ADC精度的第一篇文章中，我们阐述了模拟-数字转换器（ADC）的分辨率和精度之间的区别。现在，我们可以深入探讨影响ADC总精度的因素，这通常被称为总未调整误差（TUE）。

你是否曾好奇ADC数据表中的TUE规格中的“Total”（总）指的是什么？是不是简单地将所有直流（DC）误差规格（如偏移电压、增益误差、积分非线性（INL））相加，还是其中还有更多含义？事实上，TUE是相对于ADC工作输入范围的总系统误差的比率。

更具体地说，TUE是以最小有效位（LSB）为单位的直流误差规格，它表示ADC的实际传输函数与理想传输函数之间的最大偏差。这一规格假定没有进行系统级校准（即它是未调整的结果）。从概念上讲，TUE是ADC行为中以下类型非理想因素的综合影响：

图1. ADC偏移误差与输入电压的关系

增益误差：增益误差是ADC输出实际斜率与理想斜率之间的差异。它通常表示为ADC量程的比率或全刻度码时的最大误差。如图2所示，随着模拟输入接近满量程值，增益误差的绝对值会增加。

图2. ADC增益误差与输入电压的关系

积分非线性（INL）：积分非线性是指ADC实际传输曲线相对于理想直线行为的最大非线性偏差。ADC的INL响应没有固定的形状，它取决于内部电路架构以及前端信号调理电路引起的失真

图3. ADC积分非线性（INL）误差与输入电压的关系

大多数ADC的数据手册会给出上述所有直流误差的典型值和最大值，但不会给出总未调整误差（TUE）的值。计算TUE的最大值并不像简单地将所有单个直流误差的最大值相加那样容易。这是因为所有这些误差都是不相关的，在最坏的情况下，偏移、增益和线性误差可能不会同时出现在ADC传输函数的同一输入电压点上。因此，简单地相加误差可能会使系统精度看起来不必要地变差。如果应用的动态范围局限于传输函数的中部附近，这种情况尤其明显。

在典型的数据采集系统中，除了ADC外，还有输入驱动器和电压参考源，这两者也会对整体偏移和增益误差做出贡献。因此，在大多数未经过校准的系统中，对于计算TUE的最大值而言，偏移和增益误差主导了INL。建议在特定模拟输入电压下计算TUE的最大值的方法是，取该点所有单个误差最大值的均方根（RSS）（方程1）。重要的是要将所有误差转换为相同的单位，通常是最低有效位（LSB）。

方程1通常会得到一个典型的“蝴蝶结”形状的TUE（总的未调整误差）误差图。对于偏移误差较大的系统，“蝴蝶结”图的结部会更粗（如图4A所示）。相反，对于增益误差较大的系统，“蝴蝶结”的结部会变细，而弓形部分会变厚（如图4B所示）。

图4. “蝴蝶结”形状的ADC总未调整误差（TUE）与输入电压的关系

综上所述，对于ADC来说，没有确切的公式来计算其TUE（总未调整误差）的最大值，因为这个误差取决于ADC工作时所处的输入范围。如果系统不需要利用ADC的整个输入范围，那么通过使ADC在其传输函数的端点之外工作，可以最小化TUE。