ADC噪聲性能測試和調(diào)試配置

你評估過一個ADC的噪聲性能，并且發(fā)現(xiàn)測得的性能不同于器件數(shù)據(jù)表中所給出的額定性能嗎？在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(xiàn)高分辨率需要對模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 噪聲有一定的認識和了解。有必要了解數(shù)據(jù)表如何指定噪聲性能，以及外部噪聲源對總體系統(tǒng)性能的影響方式。其中的一個噪聲源示例就是我的同事Ryan Andrews在他的博文，“小心！你的ADC的性能也許只和它的電源性能差不多。”中所談到過的電源噪聲。在這篇博文中，我將會看一看基準噪聲如何影響增量-累加ADC中的DC噪聲性能。

如圖1所示，你可以用短接至中電源電壓的正負輸入來指定和測量一個ADC的DC噪聲性能。通過測量這個條件下的噪聲，ADC輸出代碼內(nèi)的噪聲幾乎不受基準電壓、基準噪聲或輸入信號噪聲變化的影響。雖然這個測試條件相對于實際應(yīng)用來說是一個過于理想的情況，它的確較好地給出了一個不受某些外部噪聲源影響的ADC噪聲性能。

圖1：ADC噪聲性能測試（和調(diào)試）配置

提示：調(diào)試時，在開始其它系統(tǒng)噪聲性能測試之前，用評估隔離式ADC噪聲性能的短接輸入測試來開始評估系統(tǒng)的噪聲性能。

基準噪聲如何影響ADC DC噪聲性能

這個影響與ADC的基本任務(wù)相關(guān)；而ADC的基本任務(wù)就是提供一個輸出代碼，來表示輸入信號電壓與基準電壓的比率。輸入和基準電壓都會將一個噪聲項添加到這個比率中，如方程式1所示：

(1)

輸入信號噪聲，

，對于ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響是非常直接的。ADC將捕捉未被濾除掉的任何噪聲—使用外部電阻-電容 (RC) 濾波器，或者增量-累加ADC的信號濾波器進行過濾。由于

對于方程式1中的比率有直接影響，你可以在輸出代碼中進行觀察。

提示：在評估ADC噪聲性能時，由于輸入信號的噪聲直接影響ADC的輸出結(jié)果，請確保輸入信號是一個低噪聲源。

然而，基準噪聲，

，對于ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響并不直接，這是因為

出現(xiàn)在分母中。當(dāng)分子為零時（就與ADC輸入被短接的情況一樣），這個比率始終為零，而

項將不會影響比率。當(dāng)分子與分母大體相等時，

將會對比率有很大的影響。當(dāng)比率介于0和1之間時，

的影響由比率值來衡量。圖2顯示的是得出的特性運行方式。

圖2：ADC和基準噪聲與輸入電壓之間的關(guān)系

當(dāng)通過使用均方根增加的方法將基準噪聲添加到ADC的噪聲中時，這個組合噪聲是輸入電壓的函數(shù)，它會在正或負輸入電壓變大時增加。在圖2中的曲線上，有幾個點需要注意：

• 點A，這是用ADC數(shù)據(jù)表中給出的短接輸入測得的ADC噪聲。

• 點B，這是總帶寬限制基準噪聲，通常受到ADC數(shù)字濾波器帶寬的限制。

如果你知道針對噪聲源的噪聲頻譜密度和噪聲帶寬的話，你就能夠計算出基準噪聲（點B）；否則的話，將一個滿量程電壓輸入施加到ADC上，并且測量噪聲性能，這樣通常能夠獲得一個比較好的基準噪聲測量值。

如何選擇一個基準電壓源

對于在整個ADC輸入范圍內(nèi)實現(xiàn)低噪聲/高分辨率性能來說，一個低噪聲基準十分重要。基準噪聲需求將取決于系統(tǒng)的目標(biāo)分辨率、輸入信號范圍和數(shù)據(jù)速率（而這通常限制了輸入和基準噪聲帶寬）。當(dāng)噪聲帶寬受到較慢數(shù)據(jù)速率限制時，或者輸入信號跨度被限制在ADC滿量程范圍內(nèi)的一個較小區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)能夠耐受額外的基準噪聲。

很多增量-累加ADC包含一個集成基準，它為大多數(shù)應(yīng)用提供了充足的性能。對于要求更加嚴格的應(yīng)用，使用一個外部基準也許可以提升輸入處于正和負滿量程范圍附近時的噪聲性能。外部高精度基準可以實現(xiàn)更低的噪聲性能，這是因為它們的功耗更高。圖3將24位ADS1259增量-累加ADC的噪聲性能與內(nèi)部基準源、一個外部REF5025電壓源，以及一個比例換算的基準源進行比較。

圖3：具有內(nèi)部、外部和比例換算基準源的ADS1259噪聲性能

雖然外部基準也許能夠?qū)崿F(xiàn)比集成基準更好的噪聲性能，而比例換算基準配置的表現(xiàn)更佳。一個比例換算配置在基準電壓和輸入信號激勵方面共用同樣的電壓源。通過共用一個共同的電壓和噪聲源，方程式1中的和往往在比率中相互抵消。

當(dāng)你下次評估ADC的噪聲性能時，請確保將基準噪聲效應(yīng)考慮在內(nèi)。此外，只要傳感器需要一個激勵源，比例換算測量實現(xiàn)方式應(yīng)該成為你的首選。