如何最佳计算数模转换器的信号链误差预算

　　作者：ADI公司　Thomas Brand，现场应用工程师

　　电信号链有多种形式。它们可以由不同的电气元件组成，包括传感器、执行器、放大器、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC），甚至微控制器。整个信号链的准确性起着决定性的作用。为了提高准确性，首先必须识别并尽量减小每个信号链中的各个误差。由于信号链的复杂性，这种分析将会是一项艰巨的任务。本文介绍了一种精密数模转换器（DAC）的信号链误差预算计算工具。本文将描述与DAC连接的元件的单项误差影响。最后，本文将逐步演示如何使用该工具来识别和纠正这些问题。

　　精密数模转换器（DAC）误差预算计算器的计算精准，易于使用，可以帮助开发人员为特定应用选择最合适的元件。由于数模转换器（DAC）通常不会单独出现在信号链中，而是连接到基准电压和运算放大器（例如作为参考缓冲器），因此必须重视和总结这些额外的元件以及它们的各个误差。为了更好地理解这个概念，我们首先看看主要元件的单项误差影响，如图1所示。

　　

　　图1.数模转换器（DAC）信号链的主要元件

　　基准电压有四个主要的误差影响。第一个与初始精度（初始误差）有关，表现在25℃（指定温度）的生产测试中测量的输出电压不稳定。此外，还有与温度系数相关的误差（温度系数误差）、负载调节误差和线路调节误差。初始精度和温度系数误差对总误差影响最大。

　　在运算放大器中，输入失调电压误差和电阻的阻值误差影响最大。输入失调电压误差是指为了获得零电压输出而在输入端强行施加的很小的电压差。增益误差是用于设置闭环增益的相应电阻的阻值误差引起的。其他误差由偏置电流、电源抑制比（PSRR）、开环增益、输入失调电流、CMRR失调和输入失调电压漂移引起。

　　对于数模转换器（DAC）本身，数据表中给出了各种类型的误差，例如积分非线性（INL）误差，它与理想输出电压和给定输入代码测量的实际输出电压之差有关。其他误差类型有增益误差、失调误差和增益温度系数误差。有时将它们组合在一起形成总不可调整误差（TUE）。TUE和所有测量输出DAC误差有关，即INL、失调和增益误差，以及在电源电压和温度范围内的输出漂移。

　　由于不同的误差源通常不相关，计算信号链中总误差的最精确方法是统计平方公差法：

　　

　　收集各个元件的误差通常是一项繁琐的任务，现在我们可以使用误差预算计算器来简化这项工作，得到同样精确的计算结果。

　　

　　图2.ADI误差预算计算器中误差影响的表示

　　使用精密数模转换器（DAC）误差预算计算器的步骤

　　首先，使用误差预算计算器，从三种数模转换器（DAC）类型中进行选择：电压输出DAC、乘法DAC和4 mA ~ 20 mA电流源DAC。接下来，设置误差计算所需的温度范围和电源电压纹波，后者对PSRR误差将起决定性的作用。输入这些值后，计算器将生成一个图表，显示信号链中每个元件的各个误差影响，如图2所示。

　　这个示例中的总误差主要受基准电压的影响。通过使用更精确的参考模块可以改进这一信号链。

　　数模转换器（DAC）的集成电阻负责内部反相放大器的比较，从而提高精度，对数模转换器（DAC）的总误差起决定性的作用。在没有集成电阻或内部反相放大器的数模转换器（DAC）中，这些参数可以单独设定，如图2所示。

　　误差预算计算器可靠且易于使用，使创建精密数模转换器（DAC）信号链和快速评估设计权衡变得更容易。

　　作者简介

　　Thomas Brand于2015年加入德国慕尼黑的ADI公司，当时他还在攻读硕士。毕业后，他参加了ADI公司的培训生项目。2017年，他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持，并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业，之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。