數據轉換器模擬信號范圍有效分辨率的計算方法

　　實際應用經常只會用到數據轉換器模擬信號范圍的一部分。如果在應用中只用到該范圍的一半或者四分之一，則可以很容易地計算出有效分辨率。但如果遇到的是一個更復雜的分數，又該怎么辦呢？本文將介紹在使用任何模擬信號范圍時有效分辨率的計算。

　　電壓裕量

　　模擬系統通常會留出一定的裕量，以針對增益誤差、漂移、設計容限或設備調校不佳進行調整。在模擬世界和數字世界之間進行轉換時，我們同樣需要在數字世界保留一定的裕量。以0至10V的工業(yè)控制電壓為例，如果我們只允許ADC量化最大10V的電壓，那么，所有的下行設備必須限制在10V，否則將會丟失信息。因此，工業(yè)控制中通常留有5%甚至20%的裕量。

　　其他系統（例如視頻系統）往往在視頻信號中添加了同步信號。1VP-P視頻信號中很可能包括700mV的有用視頻信號和300mV的同步脈沖。如果利用12位ADC對這樣的信號進行數字轉換，視頻本身將僅使用可用范圍的70%，或者4096個可用代碼中只使用2867個代碼?，F在，如果保留5%的裕量，則使用范圍將會更低。

　　因此，在模擬和數字世界之間轉換時，我們必須保證數字世界能夠應對系統裕量。這一點很重要，但應對裕量卻造成了有效分辨率的降低。

　　任意模擬范圍的有效分辨率計算

　　我們首先從小孩的數學練習開始——真有這么簡單嗎？

　　我兒子最近問了我一道數學題，大致內容如下。我有一張巨大的紙，將其剪成兩半；我將這兩半摞在一起，那么總厚度將為原來的2倍?，F在，我又將這疊紙剪成兩半，并再次將它們摞在一起。此時的總厚度為最初單張紙的4倍。依此類推，重復以上過程多少次后，紙摞起來的高度可以到達月亮？

　　他需要推導的公式與計算有效分辨率的公式非常相似，公式中使用了對數。

　　以電壓為0至10V、20%裕量的工業(yè)控制為例，實際范圍為0至12V。如果采用16位DAC，那么0至10V信號的有效分辨率是多少（圖1）？

　　圖1：理想的16位DAC特性，為系統設計留有容限和裕量。

　　我們知道，對于R位分辨率的DAC，其階梯數量為2R。因此，定義N為階梯數量：

　　我們需要求出R，所以需要用到對數計算。在等式兩側取對數：

　　式子簡化為：

　　回到工業(yè)控制的例子，對于0至10V的范圍，實際上僅使用了可用階梯數量的10/12=0.833倍。在一個16位的系統中，編碼值為54613。將該數字代入公式，即可計算出有效分辨率：

　　因此，如果留出20%裕量，有效分辨率僅降低了大約0.3位。

　　實際上，就位數而言，減少的位數與原始分辨率無關。我們可以通過所用代碼與可用代碼之比得出減少的位數。

　　因此，在以上700mV視頻和300mV同步信號的視頻例子中，使用了0.7倍的可用代碼：

　　結果損失了0.51位。所以，在12位系統中的有效分辨率為11.49位，在16位系統中為15.49位。

　　對于那些想知道剪多少次紙后才能從地球到達月球的人，可以進行以下計算：紙堆的高度T=p×2C，式中：p為單張紙的厚度，C為剪紙的次數。注意到相似性了嗎？按照相同的方式，我們可求解出C，于是C=Log（T/p）/Log（2）。

　　如何完成我兒子的家庭作業(yè)呢？我測得一張打印紙的厚度為0.11mm。月球與地球的距離大約為300，000km。因此，我們需要剪紙的次數為Log（3×1011/0.11）/Log（2）=42次。好，我們現在動手……所需的時間并不長嘛。所需剪紙的次數少得讓人難以置信。

　　本文小結

　　在任何進行模擬和數字世界相互轉換的系統中，我們都要考慮裕量。這通常會降低系統的有效分辨率。本文推導的公式能夠在已知模擬信號占數字范圍比例的條件下，計算出有效分辨率。實際上，正如示例所示，即使留出較大的裕量開銷，所減少的ENOB也不到1位。

　　作者：David Fry

　　戰(zhàn)略應用經理

　　美信集成產品公司