高精度ADC到底是什么？ADC輸入噪聲有什么利弊

ADC是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)稱，諸多廠家都在積極制造更高性能的ADC。在前文中，小編對(duì)如何提高ADC性能給出了部分建議。為增進(jìn)大家對(duì)ADC的認(rèn)識(shí)，本文將從兩方面介紹ADC：1.ADC輸入噪聲有何利弊？2.什么是高精度ADC。如果你對(duì)ADC或者本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、ADC輸入噪聲利弊分析

多數(shù)情況下，輸入噪聲越低越好，但在某些情況下，輸入噪聲實(shí)際上有助于實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。這似乎毫無(wú)道理，不過(guò)繼續(xù)閱讀本指南，就會(huì)明白為什么有些噪聲是好的噪聲。

折合到輸入端噪聲（代碼躍遷噪聲）

實(shí)際的ADC在許多方面與理想的ADC有偏差。折合到輸入端的噪聲肯定不是理想情況下會(huì)出現(xiàn)的，它對(duì)ADC整體傳遞函數(shù)的影響如圖1所示。隨著模擬輸入電壓提高，“理想”ADC（如圖1A所示）保持恒定的輸出代碼，直至達(dá)到躍遷區(qū)，此時(shí)輸出代碼即刻跳變?yōu)橄乱粋€(gè)值，并且保持該值，直至達(dá)到下一個(gè)躍遷區(qū)。理論上，理想ADC的“代碼躍遷”噪聲為0，躍遷區(qū)寬度也等于0.實(shí)際的ADC具有一定量的代碼躍遷噪聲，因此躍遷區(qū)寬度取決于折合到輸入端噪聲的量（如圖1B所示）。圖1B顯示的情況是代碼躍遷噪聲的寬度約為1個(gè)LSB（最低有效位）峰峰值。

圖1：代碼躍遷噪聲（折合到輸入端噪聲）及其對(duì)ADC傳遞函數(shù)的影響

由于電阻噪聲和“kT/C”噪聲，所有ADC內(nèi)部電路都會(huì)產(chǎn)生一定量的均方根（RMS）噪聲。即使是直流輸入信號(hào)，此噪聲也存在，它是代碼躍遷噪聲存在的原因。如今通常把代碼躍遷噪聲稱為“折合到輸入端噪聲”，而不是直接使用“代碼躍遷噪聲”這一說(shuō)法。折合到輸入端噪聲通常用ADC輸入為直流值時(shí)的若干輸出樣本的直方圖來(lái)表征。大多數(shù)高速或高分辨率ADC的輸出為一系列以直流輸入標(biāo)稱值為中心的代碼（見(jiàn)圖2）。為了測(cè)量其值，ADC的輸入端接地或連接到一個(gè)深度去耦的電壓源，然后采集大量輸出樣本并將其表示為直方圖（有時(shí)也稱為“接地輸入”直方圖）。由于噪聲大致呈高斯分布，因此可以計(jì)算直方圖的標(biāo)準(zhǔn)差σ-，它對(duì)應(yīng)于有效輸入均方根噪聲。參考文獻(xiàn)1詳細(xì)說(shuō)明了如何根據(jù)直方圖數(shù)據(jù)計(jì)算σ值。該均方根噪聲雖然可以表示為以ADC滿量程輸入范圍為基準(zhǔn)的均方根電壓，但慣例是用LSB rms來(lái)表示。

圖2：折合到輸入端噪聲對(duì)ADC“接地輸入端”直方圖的影響（ADC具有少量DNL）

雖然ADC固有的微分非線性（DNL）可能會(huì)導(dǎo)致其噪聲分布與理想的高斯分布有細(xì)微的偏差（圖2示例中顯示了部分DNL），但它至少大致呈高斯分布。如果DNL比較大，則應(yīng)計(jì)算多個(gè)不同直流輸入電壓的-值，然后求平均值。例如，如果代碼分布具有較大且獨(dú)特的峰值和谷值，則表明ADC設(shè)計(jì)不佳，或者更有可能的是PCB布局布線錯(cuò)誤、接地不良、電源去耦不當(dāng)（見(jiàn)圖3）。當(dāng)直流輸入掃過(guò)ADC輸入電壓范圍時(shí)，如果分布寬度急劇變化，這也表明存在問(wèn)題。

圖3：設(shè)計(jì)不佳的ADC和/或布局布線、接地、去耦不當(dāng)?shù)慕拥剌斎攵酥狈綀D

二、高精度ADC

目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次通近型、積分型、壓頻變換型等，也有近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的∑-△型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。精度的要求是ADC的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

基本原理：

A/D轉(zhuǎn)換器作為聯(lián)系模擬領(lǐng)域到數(shù)字領(lǐng)域的紐帶是十分重要的器件，己發(fā)展成多種系列，每一種均有其適用范圍?？傊瓵/D轉(zhuǎn)換器是用途很廣，發(fā)展十分迅速的器件，它在工業(yè)、國(guó)防、通訊、高科技等領(lǐng)域起著重要的作用。傳統(tǒng)方式的ADC，例如逐次通近型、積分型、壓頻變換型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。在全并行基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的分級(jí)型和流水線型人D（主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號(hào)處理、快速波形存儲(chǔ)與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號(hào)量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域。此外，采用脈動(dòng)型和折疊型等結(jié)構(gòu)的高速ADC，可應(yīng)用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)等方面。這些高速ADC 今后的發(fā)展方向是在現(xiàn)有高速基礎(chǔ)上盡可能提高其分辨率，以滿足兼顧高速、高精度的發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代以來(lái)獲得很大發(fā)展的∑-△型ADC利用高抽樣率和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將抽樣，量化、數(shù)字信號(hào)處理融為了一體，從而獲得了高精度的ADC，目前可達(dá)24位，主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地簇勘探儀器、聲納等電子測(cè)量領(lǐng)域。

下表是對(duì)現(xiàn)有的幾種主要ADC類型作一簡(jiǎn)要總結(jié)。無(wú)論采用何種電路結(jié)構(gòu)，若要提高轉(zhuǎn)換速度。就要以較低的分辨宰和較大的功耗來(lái)作為代價(jià)：而要獲得較高的分辨率，則要犧牲轉(zhuǎn)換速度和功耗;為了降低功耗，卻又得不到較高的速度和分辨率。因此在系統(tǒng)應(yīng)用中，必須根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇適當(dāng)電路結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)的ADC。