資料介紹
在與使用模數(shù)轉換器(ADC)的系統(tǒng)設計人員進行交談時,我最常聽到的一個問題就是:
“你的16位ADC的精度也是16位的嗎?”
這個問題的答案取決于對分辨率和精度概念的基本理解。盡管是兩個完全不同的概念,這兩個數(shù)據(jù)項經(jīng)常被搞混和交換使用。
該文詳述了這兩個概念間的差異,并將深入研究造成ADC不準確的主要原因。
ADC的分辨率被定義為輸入信號值的最小變化,這個最小數(shù)值變化會改變數(shù)字輸出值的一個數(shù)值。對于一個理想ADC來說,傳遞函數(shù)是一個步寬等于分辨率的階梯。然而,在具有較高分辨率的系統(tǒng)中(≥16位),傳輸函數(shù)的響應將相對于理想響應有一個較大的偏離。這是因為ADC以及驅動器電路導致的噪聲會降低ADC的分辨率。
此外,如果DC電壓被施加到理想ADC的輸入上并且執(zhí)行多個轉換的話,數(shù)字輸出應該始終為同樣的代碼(由圖1中的黑點表示)。現(xiàn)實中,根據(jù)總體系統(tǒng)噪聲(也就是包括電壓基準和驅動器電路),輸出代碼被分布在多個代碼上(由下面的一團紅點表示)。系統(tǒng)中的噪聲越多,數(shù)據(jù)點的集合就越寬,反之亦然。圖1中顯示的是一個中量程DC輸入的示例。ADC傳遞函數(shù)上輸出點的集合通常被表現(xiàn)為ADC數(shù)據(jù)表中的DC柱狀圖。
圖1:ADC傳遞曲線上ADC分辨率和有效分辨率的圖示
圖1中的圖表提出了一個有意思的問題。如果同樣的模擬輸入會導致多個數(shù)字輸出,那么對于ADC分辨率的定義仍然有效嗎?是的,前提是我們只考慮ADC的量化噪聲。然而,當我們將信號鏈中所有的噪聲和失真計算在內時,正如等式(1)中所顯示的那樣,ADC的有效無噪聲分辨率取決于輸出代碼分布(NPP)。
在典型ADC數(shù)據(jù)表中,有效位數(shù)(ENOB)間接地由AC參數(shù)和信噪失真比(SINAD)指定,可使用方程式2計算得出:
下面,考慮一下圖1中的輸出代碼簇(紅點)不是位于理想輸出代碼的中央,而是位于遠離黑點的ADC傳遞曲線上的其他位置(如圖2中所示)。這個距離是指示出采集系統(tǒng)精度。不但ADC,還有前端驅動電路、基準和基準緩沖器都會影響到總體系統(tǒng)精度。
“你的16位ADC的精度也是16位的嗎?”
這個問題的答案取決于對分辨率和精度概念的基本理解。盡管是兩個完全不同的概念,這兩個數(shù)據(jù)項經(jīng)常被搞混和交換使用。
該文詳述了這兩個概念間的差異,并將深入研究造成ADC不準確的主要原因。
ADC的分辨率被定義為輸入信號值的最小變化,這個最小數(shù)值變化會改變數(shù)字輸出值的一個數(shù)值。對于一個理想ADC來說,傳遞函數(shù)是一個步寬等于分辨率的階梯。然而,在具有較高分辨率的系統(tǒng)中(≥16位),傳輸函數(shù)的響應將相對于理想響應有一個較大的偏離。這是因為ADC以及驅動器電路導致的噪聲會降低ADC的分辨率。
此外,如果DC電壓被施加到理想ADC的輸入上并且執(zhí)行多個轉換的話,數(shù)字輸出應該始終為同樣的代碼(由圖1中的黑點表示)。現(xiàn)實中,根據(jù)總體系統(tǒng)噪聲(也就是包括電壓基準和驅動器電路),輸出代碼被分布在多個代碼上(由下面的一團紅點表示)。系統(tǒng)中的噪聲越多,數(shù)據(jù)點的集合就越寬,反之亦然。圖1中顯示的是一個中量程DC輸入的示例。ADC傳遞函數(shù)上輸出點的集合通常被表現(xiàn)為ADC數(shù)據(jù)表中的DC柱狀圖。
圖1:ADC傳遞曲線上ADC分辨率和有效分辨率的圖示
圖1中的圖表提出了一個有意思的問題。如果同樣的模擬輸入會導致多個數(shù)字輸出,那么對于ADC分辨率的定義仍然有效嗎?是的,前提是我們只考慮ADC的量化噪聲。然而,當我們將信號鏈中所有的噪聲和失真計算在內時,正如等式(1)中所顯示的那樣,ADC的有效無噪聲分辨率取決于輸出代碼分布(NPP)。
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下面,考慮一下圖1中的輸出代碼簇(紅點)不是位于理想輸出代碼的中央,而是位于遠離黑點的ADC傳遞曲線上的其他位置(如圖2中所示)。這個距離是指示出采集系統(tǒng)精度。不但ADC,還有前端驅動電路、基準和基準緩沖器都會影響到總體系統(tǒng)精度。
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