如何最佳計算數模轉換器的信號鏈誤差預算

電信號鏈有多種形式。它們可以由不同的電氣元件組成，包括傳感器、執行器、放大器、模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC），甚至微控制器。整個信號鏈的準確性起著決定性的作用。為了提高準確性，首先必須識別并盡量減小每個信號鏈中的各個誤差。由于信號鏈的復雜性，這種分析將會是一項艱巨的任務。本文介紹了一種精密數模轉換器（DAC）的信號鏈誤差預算計算工具。本文將描述與DAC連接的元件的單項誤差影響。最后，本文將逐步演示如何使用該工具來識別和糾正這些問題。

精密數模轉換器（DAC）誤差預算計算器的計算精準，易于使用，可以幫助開發人員為特定應用選擇最合適的元件。由于數模轉換器（DAC）通常不會單獨出現在信號鏈中，而是連接到基準電壓和運算放大器（例如作為參考緩沖器），因此必須重視和總結這些額外的元件以及它們的各個誤差。為了更好地理解這個概念，我們首先看看主要元件的單項誤差影響，如圖1所示。

圖1 數模轉換器（DAC）信號鏈的主要元件

基準電壓有四個主要的誤差影響。第一個與初始精度（初始誤差）有關，表現在25℃（指定溫度）的生產測試中測量的輸出電壓不穩定。此外，還有與溫度系數相關的誤差（溫度系數誤差）、負載調節誤差和線路調節誤差。初始精度和溫度系數誤差對總誤差影響最大。

在運算放大器中，輸入失調電壓誤差和電阻的阻值誤差影響最大。輸入失調電壓誤差是指為了獲得零電壓輸出而在輸入端強行施加的很小的電壓差。增益誤差是用于設置閉環增益的相應電阻的阻值誤差引起的。其他誤差由偏置電流、電源抑制比（PSRR）、開環增益、輸入失調電流、CMRR失調和輸入失調電壓漂移引起。

對于數模轉換器（DAC）本身，數據表中給出了各種類型的誤差，例如積分非線性（INL）誤差，它與理想輸出電壓和給定輸入代碼測量的實際輸出電壓之差有關。其他誤差類型有增益誤差、失調誤差和增益溫度系數誤差。有時將它們組合在一起形成總不可調整誤差（TUE）。TUE和所有測量輸出DAC誤差有關，即INL、失調和增益誤差，以及在電源電壓和溫度范圍內的輸出漂移。

由于不同的誤差源通常不相關，計算信號鏈中總誤差的最精確方法是統計平方公差法：

收集各個元件的誤差通常是一項繁瑣的任務，現在我們可以使用誤差預算計算器來簡化這項工作，得到同樣精確的計算結果。

圖2 ADI誤差預算計算器中誤差影響的表示

使用精密數模轉換器（DAC）誤差預算計算器的步驟

首先，使用誤差預算計算器，從三種數模轉換器（DAC）類型中進行選擇：電壓輸出DAC、乘法DAC和4 mA ~ 20 mA電流源DAC。接下來，設置誤差計算所需的溫度范圍和電源電壓紋波，后者對PSRR誤差將起決定性的作用。輸入這些值后，計算器將生成一個圖表，顯示信號鏈中每個元件的各個誤差影響，如圖2所示。

這個示例中的總誤差主要受基準電壓的影響。通過使用更精確的參考模塊可以改進這一信號鏈。

數模轉換器（DAC）的集成電阻負責內部反相放大器的比較，從而提高精度，對數模轉換器（DAC）的總誤差起決定性的作用。在沒有集成電阻或內部反相放大器的數模轉換器（DAC）中，這些參數可以單獨設定，如圖2所示。

誤差預算計算器可靠且易于使用，使創建精密數模轉換器（DAC）信號鏈和快速評估設計權衡變得更容易。

作者簡介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持，并專注于工業以太網領域。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。