王 超， 湯吉昀， 宋莉莉

(昌吉學院物理系, 新疆 昌吉 831100)

0 引 言

A/D轉換器在數(shù)據(jù)采集和實時控制領域具有非常重要的作用，而衡量A/D轉換器的技術指標有很多，比如：分辨率、失調(diào)誤差、增益誤差、微分非線性(Differential Nonlinearity, DNL)和積分非線性(Intergral Nonlinearity, INL)等，這些指標對實際應用電路的測量數(shù)據(jù)準確性分析具有重要的意義，本設計利用Proteus仿真平臺設計了A/D轉換電路并進行了詳細技術指標的分析。

1 A/D轉換電路的設計

圖1 A/D轉換電路圖

2 軟件程序設計

(a) 主程序(b) 轉換子程序

圖2 軟件流程圖

3 仿真分析

3.1 工作時序及轉換時間

圖3中，調(diào)節(jié)RV1，改變輸入電壓，此時輸入電壓為1.15V，所得的數(shù)字量為(1.15/5)×255≈59(合3 BH)，在第4個SCLK采樣，其輸入電壓仍為1.15V，在第5個SCLK時，將輸入電壓變?yōu)?.97V，在第8個SCLK啟動A/D轉換，下一個轉換后的數(shù)據(jù)仍為3BH，可見，在第4個SCLK脈沖的下降沿采樣并且保持，測量Twh的值為389 164 μs～389 126 μs=38 μs，啟動轉換的時間Tconv為17 μs，與芯片使用手冊一致[2,7-9]。

打開Proteus VSM界面調(diào)試菜單，單擊Terminal選項，可打開SPI調(diào)試器窗口，如圖4所示，借助SPI調(diào)試器，可方便地觀察到流經(jīng)SDO、SDI數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)變化，圖4中在347 426 μs～347 748 μs之間流過的數(shù)據(jù)為3BH，即TLC549轉換器輸出的數(shù)據(jù)為3BH，直觀地在SPI監(jiān)控區(qū)域顯示出來，通過輸出指示電路可以觀察到二進制為00111011B=3BH。

圖3 TLC549工作時序圖

圖4 SPI調(diào)試圖

調(diào)節(jié)電位器RV1，利用電壓探針實時測量TLC549輸入的電壓值，SPI調(diào)試器實時觀察TLC549轉換的結果，使用Ui=Uref·X/(28-1)(Ui為TLC549的輸入電壓，Uref為轉換的參考電壓，X為轉換后的數(shù)字量)計算出模擬輸入電壓的計算值，三者的關系如表1所示。

3.2 失調(diào)誤差

失調(diào)誤差定義為所有輸出代碼間轉換時都存在的代碼轉換點的偏差[10-13]，對A/D轉換器來說，它將使A/D轉換器轉換曲線向左或者向右移動，因在第1個代碼轉換點測量失調(diào)誤差最小，采用尋找第1個代碼轉換點的實際位置與理想位置的差距來求失調(diào)誤差，依據(jù)測量表2的數(shù)據(jù)，當輸入電壓為15 mV時，TLC549的的輸出代碼出現(xiàn)了轉折點，而理想的TLC549第1個代碼轉折點出現(xiàn)在(LSB)/2處，即9.75 mV的位置，第一個測量轉折點與理想的轉折點差為5.25 mV，即5.25/19.5=0.269LSB，因該值在理想曲線右側，即轉換器的失調(diào)誤差為-0.269LSB，如圖5所示。

3.3 增益誤差

增益誤差為A/D轉換器轉換曲線實際斜率與理想斜率間的偏差[10-11]，計算前，需要減去失調(diào)誤差，找出最后1個代碼轉換點位置與理想轉換位置之差即可，A/D轉換器TLC549最后數(shù)字量測量表如表3所示，依據(jù)表3繪制的增益誤差轉換曲線如圖6所示，由圖6可知，增益誤差為0.282LSB。

在實際的數(shù)字測量系統(tǒng)中，增益誤差很容易通過將轉換結果乘以所需的比例因數(shù)而得到補償。設計者總是可以使用螺絲刀或微調(diào)電位器給模擬信號通道施加增益量或衰減量，從而校正A/D 增益誤差。

3.4 微分非線性(DNL)

微分非線性描述了轉換曲線中任一輸出代碼寬度與1LSB理想代碼寬度之間的偏差[12-13]，在補償了失調(diào)誤差和增益誤差后，可通過相鄰代碼轉換點位置只差求得。TLC549測量的第1個值為16.7 mV，計算值為19.6 mV，可以求得理想曲線的第1個轉換點為9.8mV，則第1個理想轉換點與第1個測量點之間差為6.9 mV，測量值的代碼寬度為13.8，與1LSB理想代碼寬度之間的偏差為13.8/19.5-1=-0.292LSB，如圖7所示。正的DNL表示代碼比理想代碼寬長，而負的DNL 表示代碼比理想代碼寬短。

表1 TLC549測量數(shù)值表

表2 失調(diào)誤差數(shù)據(jù)表

圖5 失調(diào)誤差

表3 增益誤差數(shù)據(jù)表

圖6 增益誤差

圖7 DNL曲線圖

根據(jù)TLC549的芯片使用說明，其DNL=±0.5LSB，1LSB=5/256=19.5 mV，若測量A點對應電壓的讀數(shù)為200(電壓為3.9V)，B點對應電壓的讀數(shù)為220(4.29 V)，則可以判斷出B點比A點高出390±9.75 mV，而不是390 mV。

3.5 積分非線性(INL)

積分非線性描述了DNL累積的結果，在對所測的轉換曲線增益和失調(diào)誤差補償后，A/D轉換器所測量的轉換曲線與理想轉換曲線相比偏離了多少，實際上表示了A/D轉換器件在所有的數(shù)值點上對應的模擬值和真實值之間誤差最大的那一點的誤差值，也就是輸出數(shù)值偏離線性最大的距離[14-16]。根據(jù)TLC549測量數(shù)據(jù)，在進行補償后，測量的曲線圖如圖8所示。

根據(jù)TLC549的芯片使用說明，其INL=±0.5LSB，1LSB=5/256=19.5 mV，若測量A點對應電壓的讀數(shù)為200(電壓為3.9 V)，那么真實的電壓值可能分布在(3.9±0.009 75) V之間。

圖8 INL曲線圖

4 結 語

使用Proteus仿真軟件可將A/D轉換過程形象化展現(xiàn)出來，借助Proteus的虛擬設備、仿真圖表等工具可準確測量A/D轉換數(shù)據(jù)，據(jù)此來分析轉換器的性能指標，可幫助學生更好地理解A/D轉換過程，提高實際綜合應用能力。