造成ADC不準(zhǔn)確的主要原因是什么

作者： Vinay Agarwal

在與使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的系統(tǒng)設(shè)計人員進(jìn)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。

今天的博文詳述了這兩個概念間的差異。我們將在一系列帖子中深入研究造成ADC不準(zhǔn)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(yīng)將相對于理想響應(yīng)有一個較大的偏離。這是因為ADC以及驅(qū)動器電路導(dǎo)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(zhuǎn)換的話，數(shù)字輸出應(yīng)該始終為同樣的代碼（由圖1中的黑點表示）?，F(xiàn)實中，根據(jù)總體系統(tǒng)噪聲（也就是包括電壓基準(zhǔn)和驅(qū)動器電路），輸出代碼被分布在多個代碼上（由下面的一團(tuán)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(dǎo)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(dāng)我們將信號鏈中所有的噪聲和失真計算在內(nèi)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(yuǎn)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(qū)動電路、基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖器都會影響到總體系統(tǒng)精度。

圖2：ADC傳遞曲線的精度圖示

需要注意的重要一點是ADC精度和分辨率是兩個也許不相等的不同參數(shù)。從系統(tǒng)設(shè)計角度講，精度確定了系統(tǒng)的總體誤差預(yù)算，而系統(tǒng)軟件算法完整性、控制和監(jiān)視功能取決于分辨率。

在我的下一篇帖子中，我將談一談決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)“總”精度的關(guān)鍵因素。