A/D转换中绝对精度的0.5LSB是什么意思？

1万 · 2018-11-15 21:10

我们所讲的精度通常是指它的精确度，其实这是错误的。精度又叫做精密度，是跟准确度相对应的一个概念。就像打靶一样，打的准，那就说它的准确度比较高；而每两个靶之间能打出的偏移越小，那它的精密度就越高。精密度与准确度合起来称为精确度。但是鉴于大家都将精度指代了精确度，那以下所说的精度如无特别指出，都是指精确度。
很多人对于精度和分辨率的概念不清楚，这里我做一下总结，希望大家不要混淆。
我们搞电子开发的，经常跟“精度”与“分辨率”打交道，这个问题不是三言两语能搞得清楚的，在这里只作抛砖引玉了。
简单点说，“精度”是用来描述物理量的准确程度的，而“分辨率”是用来描述刻度划分的。从定义上看，这两个量应该是风马牛不相及的。（是不是有朋友感到愕然^_^）。很多卖传感器的JS就是利用这一点来糊弄人的了。简单做个比喻：有这么一把常见的塑料尺（中学生用的那种），它的量程是10厘米，上面有100个刻度，最小能读出1毫米的有效值。那么我们就说这把尺子的分辨率是1毫米，或者量程的1%；而它的实际精度就不得而知了（算是0.1毫米吧）。当我们用火来烤一下它，并且把它拉长一段，然后再考察一下它。我们不难发现，它还有有100个刻度，它的“分辨率”还是1毫米，跟原来一样！然而，您还会认为它的精度还是原来的0.1毫米么？（这个例子是引用网上的，个人觉得比喻的很形象！）
回到电子技术上，我们考察一个常用的数字温度传感器：AD7416。供应商只是大肆宣扬它有10位的AD，分辨率是1/1024。那么，很多人就会这么欣喜：哇塞，如果测量温度0-100摄氏度，100/1024……约等于0.098摄氏度！这么高的精度，足够用了。但是我们去浏览一下AD7416的数据手册，居然发现里面赫然写着：测量精度0.25摄氏度！所以说分辨率跟精度完全是两回事，在这个温度传感器里，只要你愿意，你甚至可以用一个14位的AD，获得1/16384的分辨率，但是测量值的精度还是0.25摄氏度^_^
所以很多朋友一谈到精度，马上就和分辨率联系起来了，包括有些项目负责人，只会在那里说：这个系统精度要求很高啊，你们AD的位数至少要多少多少啊……
其实，仔细浏览一下AD的数据手册，会发现跟精度有关的有两个很重要的指标：DNL和INL。似乎知道这两个指标的朋友并不多，所以在这里很有必要解释一下。
DNL：Differencial NonLiner——微分非线性度
INL：Interger NonLiner——积分非线性度（精度主要用这个值来表示）
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）。
当然，像有的AD如△—∑系列的AD，也用Linearity error 来表示精度。
为什么有的AD很贵，就是因为INL很低。分辨率同为12bit的两个ADC，一个INL＝±3LSB，而一个做到了±1.5LSB，那么他们的价格可能相差一倍。
LSB（Least Significant Bit），意为最低有效位；MSB（Most Significant Bit），意为最高有效位，若MSB=1，则表示数据为负值，若MSB=0，则表示数据为正。

1万 · 2018-11-15 21:11

当选择模数转换器(ADC)时，最低有效位(LSB)这一参数的含义是什么？有位工程师告诉我某某生产商的某款12位转换器只有7个可用位。也就是说，所谓12位的转换器实际上只有7位。他的结论是根据器件的失调误差和增益误差参数得出的，这两个参数的最大值如下：
　　失调误差 =±3LSB，
增益误差 =±5LSB，
　　乍一看，觉得他似乎是对的。从上面列出的参数可知最差的技术参数是增益误差(±5 LSB)。进行简单的数**算，12位减去5位分辨率等于7位，对吗？果真如此的话，ADC生产商为何还要推出这样的器件呢？增益误差参数似乎表明只要购买成本更低的8位转换器就可以了，但看起来这又有点不对劲了。正如您所判断的，上面的说法是错误的。
　　让我们重新来看一下LSB的定义。考虑一个12位串行转换器，它会输出由1或0组成的12位数串。通常，转换器首先送出的是最高有效位(MSB)(即LSB + 11)。有些转换器也会先送出LSB。在下面的讨论中，我们假设先送出的是MSB(如图1所示)，然后依次送出MSB-1 (即 LSB + 10)和MSB -2(即LSB + 9)并依次类推。转换器最终送出MSB -11(即LSB)作为位串的末位。
　　LSB这一术语有着特定的含义，它表示的是数字流中的最后一位，也表示组成满量程输入范围的最小单位。对于12位转换器来说，LSB的值相当于模拟信号满量程输入范围除以212 或 4,096的商。如果用真实的数字来表示的话，对于满量程输入范围为4.096V的情况，一个12位转换器对应的LSB大小为1mV。但是，将LSB定义为4096个可能编码中的一个编码对于我们的理解是有好处的。
　　让我们回到开头的技术指标，并将其转换到满量程输入范围为4.096V的12位转换器中：
　失调误差 = ±3LSB =±3mV，
　　增益误差 =±5LSB = ±5mV，
　　这些技术参数表明转换器转换过程引入的误差最大仅为8mV(或 8个编码)。这绝不是说误差发生在转换器输出位流的LSB、LSB-1、LSB-2、LSB-3、LSB-4、LSB-5、LSB-6和 LSB-7 八个位上，而是表示误差最大是一个LSB的八倍(或8mV)。准确地说，转换器的传递函数可能造成在4,096个编码中丢失最多8个编码。丢失的只可能是最低端或最高端的编码。例如，误差为+8LSB ((+3LSB失调误差) + (+5LSB增益误差)) 的一个12位转换器可能输出的编码范围为0 至 4,088。丢失的编码为4088至4095。相对于满量程这一误差很小仅为其0.2%。与此相对，一个误差为-3LSB((-3LSB失调误差)—(-5LSB增益误差))的12位转换器输出的编码范围为3至4,095。此时增益误差会造成精度下降，但不会使编码丢失。丢失的编码为0、1和2。这两个例子给出的都是最坏情况。在实际的转换器中，失调误差和增益误差很少会如此接近最大值。