ADC工作原理及詳細(xì)參數(shù)

前言

ADC芯片即模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的芯片，在如今的這個(gè)時(shí)代，這是很重要的芯片。在許多高精度測(cè)量領(lǐng)域，都在大規(guī)模的使用ADC芯片，我們?cè)谧鲰?xiàng)目的時(shí)候也會(huì)大量使用，熟悉它的參數(shù)才能更好的使用它。

一、ADC工作原理

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，一般分為4個(gè)步驟進(jìn)行，即采樣、保持、量化和編碼。前兩個(gè)步驟在采樣-保持電路中完成，后兩個(gè)步驟則在ADC中完成。ADC是把經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)量比較處理后的模擬量轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)值表示的離散信號(hào)的轉(zhuǎn)化器。所以任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)化器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為ADC芯片最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。

圖1 ADC工作原理

二、詳細(xì)參數(shù)

1.分辨率

分辨率n是用于表示模擬信號(hào)的位數(shù)，如果ADC是3位的，那么就共有8種輸出碼。分辨率越高，ADC就可識(shí)別更小的輸入電壓變化。VREF/2n-1(2的n次方減1)即為分辨率，n位的ADC，即有2n(2的n次方)個(gè)輸出，共有2n-1(2的n次方減1)個(gè)間隔，這個(gè)間隔即是ADC芯片能識(shí)別的最小輸入信號(hào)變化量。

2.轉(zhuǎn)換率/采樣率/轉(zhuǎn)化時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間Tconv表示完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換消耗的時(shí)間，或相鄰兩次轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔;

轉(zhuǎn)化率/采樣率Ws：表示ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的頻率，單位為：采樣/秒(SPS)，兩者互為倒數(shù)關(guān)系。

3.最低有效位(LSB)/最高有效位(MSB)

即ADC芯片的最高位和最低位。那么1LSB的電壓值，就是ADC的分辨精度，是由ADC的參考電壓VREF和分辨率n共同決定的。

4.量化誤差

輸入信號(hào)在量化門(mén)限之間隨機(jī)變化，則量化誤差e在兩次采樣間基本不相關(guān)，且在±LSB/2范圍內(nèi)均勻分布，我們可以將其視為一種白噪聲。因?yàn)锳DC采樣出來(lái)的信號(hào)是離散的，而實(shí)際模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，所以ADC采樣出來(lái)的兩個(gè)相鄰離散信號(hào)不能精準(zhǔn)表示模擬信號(hào)而帶來(lái)的誤差。

5.SNR

SNR即為信噪比，是信號(hào)功率與ADC噪聲功率的比。理想ADC的SNR是信號(hào)功率和量化誤差e帶來(lái)的噪聲功率(DC-Fs/2的頻率范圍)的比值。那也就是說(shuō)在只考慮量化噪聲的情況下，知道了ADC的位數(shù)N就可以確定信噪比的大小，SNR=1.76+6.02N dB。但實(shí)際上ADC，有量化噪聲、本征噪聲、系統(tǒng)噪聲、時(shí)間抖動(dòng)等噪聲。

6.失調(diào)誤差

ADC輸入輸出曲線中第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)與理想值的偏差，可以用LSB表示。

圖2 失調(diào)誤差

7.增益誤差

ADC實(shí)際傳輸曲線斜率偏離理想斜率的程度。即補(bǔ)償了失調(diào)誤差之后，輸出曲線最后的實(shí)際偏差。

圖3 增益誤差

8.微分非線性(DNL)

這個(gè)參數(shù)是用來(lái)描述ADC芯片線性度的一個(gè)參數(shù)。這個(gè)參數(shù)的公式這樣計(jì)算：

DNL表示的是微觀狀態(tài)下的偏差，理想ADC在輸出碼(如101)所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)的范圍為1LSB，但實(shí)際的ADC對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)范圍可能或大或小，DNL就表示理想和實(shí)際的差值。其中DNL=-1.0LSB表示丟碼。DNL值小并不代表SNR高，但DNL值大反映SNR下降。

圖4 微分非線性

9.積分非線性(INL)

這個(gè)參數(shù)是用來(lái)描述ADC芯片線性度的一個(gè)參數(shù)。這個(gè)參數(shù)的公式這樣計(jì)算：

INL表示的是宏觀狀態(tài)下的偏差，在任意一個(gè)點(diǎn)，由于DNL的積累導(dǎo)致在那個(gè)點(diǎn)與理想值的差值。

INL小并不代表THD低，但I(xiàn)NL值大反映THD惡化。

圖5 積分非線性

10.總諧波失真(THD)

電路的非線性會(huì)引入諧波失真，給電路的輸入端施加一個(gè)余弦信號(hào)x(t)=Acos(wt)，根據(jù)泰勒展開(kāi)，其輸出端信號(hào)可以表示為：

高次項(xiàng)的泰勒展開(kāi)產(chǎn)生了高次諧波，即為諧波失真，總諧波失真(THD)是指將所有諧波能量(除去基頻)之和用基頻能量歸一化量化，那THD可以表示為：

THD為負(fù)值，越負(fù)的話，表示信號(hào)失真程度越小。

圖6 諧波失真

方波的諧波是最多的，正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC采集的話，會(huì)產(chǎn)生諧波信號(hào)。

11.信號(hào)與噪聲失真比(SINAD/SNDR)

表示信號(hào)與噪聲和諧波失真總能量的比值。

SINAD或者SNDR可以看作是考慮量化噪聲和諧波失真的情況下，ADC的信噪比。

12.有效位數(shù)(ENOB)

表示把當(dāng)前ADC看做是理想ADC時(shí)所具有的分辨率位數(shù)。，所以在使用ADC時(shí)我們更應(yīng)該關(guān)注這個(gè)參數(shù)。

13.無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)

表示最大信號(hào)成分與最大失真成分的比值。

圖6 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

14.動(dòng)態(tài)范圍(DR)

表示最大信號(hào)與最小可識(shí)別信號(hào)之間的比值。

15.孔徑延時(shí)

采樣時(shí)鐘邊沿與實(shí)際采集到信號(hào)點(diǎn)的時(shí)間差。

總結(jié)

ADC是我們常用的一種芯片，我們必須對(duì)基礎(chǔ)的參數(shù)都了解，這樣才能設(shè)計(jì)出我們想要的電路。好了就這些，如果大家看的有什么問(wèn)題，歡迎提出。覺(jué)得不錯(cuò)的可以點(diǎn)個(gè)贊哦，你的鼓勵(lì)就是我更新的最大動(dòng)力。