了解 ADC 代碼錯誤率

隨著高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 采樣率的提高，ADC 輸出數(shù)據(jù)中的代碼錯誤（也稱為閃爍代碼）問題也隨之增加。代碼錯誤定義為 ADC 輸出代碼中的錯誤超過定義的閾值。閾值通常定義為誤差超過 ADC 噪聲預(yù)期幅度的水平，以便在存在噪聲的情況下可以輕松識別該誤差。

解釋誤差閾值定義的另一種方法是，在給定 ADC 假定的高斯分布噪聲的情況下，誤差幅度發(fā)生的概率超過該幅度的預(yù)期概率。圖 1 顯示了在 ADC 輸出樣本中發(fā)現(xiàn)的示例代碼錯誤。與理想的正弦波擬合相比，錯誤樣本清晰可見，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過圖中其他樣本的噪聲。

圖 1：存在代碼錯誤的 ADC 輸出示例。

ADC 的誤碼率 (CER)，有時也稱為字錯誤率 (WER) 或亞穩(wěn)態(tài)錯誤率，定義為每個樣本的平均錯誤數(shù)，并通過計算連續(xù)錯誤之間的平均樣本數(shù)來測量。它通常被定義為一個數(shù)量級，例如 10 –12 個 錯誤/樣本。因此，錯誤之間的平均時間取決于轉(zhuǎn)換器的采樣率。僅當(dāng) ADC 以測量 CER 的采樣率運行時，測量的 CER 才是準(zhǔn)確的。一般來說，降低采樣率可以將 CER 提高幾個數(shù)量級。

讓我們看一下代碼錯誤從何而來，看看為什么采樣率是一個主要因素。

是什么讓 ADC 閃閃發(fā)光？
多步 ADC 架構(gòu)（例如流水線閃存 ADC 或逐次逼近寄存器 (SAR) ADC）分階段將采樣電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字位，每個連續(xù)階段都依賴于前一階段的結(jié)果。考慮一個基本的流水線閃存高速 ADC，如圖2所示 。這個簡化的 ADC 顯示了兩個轉(zhuǎn)換級，其中每個連續(xù)級都會生成一個數(shù)字代碼，可以更精細(xì)地估計輸入信號。

所示ADC的操作如下：

第一級對輸入電壓進行采樣，并使用第一級 ADC 將模擬輸入信號粗略地轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。 此階段的閃存 ADC 的工作原理是使用高速比較器將采樣電壓與由 ADC 的主參考電壓 (V REF ) 生成的靜態(tài)參考電壓進行比較。閃存比較器的輸出是代表輸入電壓的溫度計編碼數(shù)字樣本。

然后，轉(zhuǎn)換后的溫度計代碼直接發(fā)送到第一級 DAC。該 DAC 輸出模擬電壓，該電壓對應(yīng)于粗略轉(zhuǎn)換后的樣本。

從原始輸入電壓中減去第一級 DAC 的輸出就得到量化誤差電壓或殘余電壓 (V RES )。然后將殘留物放大并重新采樣（管道化）以用于第二階段。

第二級 ADC 對 V RES進行量化 ，以獲得原始模擬輸入電壓的更準(zhǔn)確（更高分辨率）的估計。

圖 2：流水線閃存 ADC 架構(gòu)框圖示例。

V RES 創(chuàng)建過程引入了高速決策循環(huán)。在一個采樣時鐘周期內(nèi)，采樣電壓必須由第一級 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。數(shù)字代碼必須從第一級 DAC 輸出，從原始輸入電壓中減去，并由第二級重新采樣。高速決策環(huán)路會引入代碼錯誤，因為閃存 ADC 中的比較器具有穩(wěn)定時間，該穩(wěn)定時間是采樣電壓與 V REF之間的差值的函數(shù) 。

更簡單地說，當(dāng)輸入電壓(V CAP1 )接近比較器的參考電壓(例如7*V REF /8)時，比較器需要更長的時間來穩(wěn)定。理論上，如果 V CAP1 無限接近比較器的參考電壓，比較器將永遠(yuǎn)不會穩(wěn)定，因為它將在其線性區(qū)域中工作。

噪聲會阻止這種情況實際發(fā)生，但如果比較器確實需要很長時間才能穩(wěn)定，則第一級 DAC 可能會使用不正確的數(shù)字代碼來輸出量化的模擬電壓。結(jié)果是 V RES 與第一級 ADC 的實際數(shù)字輸出代碼不匹配。然后，第二級 ADC 轉(zhuǎn)換錯誤的 V RES ，這會導(dǎo)致代碼錯誤。

文章來源：Embedded