應(yīng)用示例 - 如何認(rèn)識ADC參數(shù)中“精確度”與“分辨率”的不同

　　應(yīng)用示例

　　我們通過一些例子來說明這些參數(shù)在某些典型應(yīng)用中的具體含義。

　　簡單來說，數(shù)碼相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍就是圖像傳感器的一個(gè)像素生成的可檢測到的最亮和最暗值的范圍，使用比特作為單位。ADC的最小比特率（分辨率）由圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍（精確度）決定。舉例而言，如果傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為1000：1（也可以稱為60dB），那么ADC應(yīng)當(dāng)至少為10位（2^10＝1，024分立電平） 才能避免信息損失。然而，在實(shí)際中，應(yīng)當(dāng)將ADC往高指定為12位，以允許ADC具有一定的容錯(cuò)裕量。 只因?yàn)橄鄼C(jī)具有12位或16位的ADC就宣稱它具有12位動(dòng)態(tài)范圍會(huì)令人誤解，因?yàn)樵肼曇约坝糜诋a(chǎn)生這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的像素井的容量沒有被考慮在內(nèi)。

　　因此，綜上所述，只有傳感器本身具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)上述描述才成立。色調(diào)范圍和動(dòng)態(tài)范圍永遠(yuǎn)也不會(huì)超過傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。因此必須要清楚相機(jī)的實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍。本節(jié)內(nèi)容解釋了具有12位動(dòng)態(tài)范圍的相機(jī)并不表示相機(jī)有一個(gè)12位的ADC。

　　b）電阻溫度計(jì)

　　電阻溫度計(jì)（RTD）利用了某些材料在不同溫度下電阻會(huì)發(fā)生可預(yù)測的變化這一原理。電阻溫度計(jì)通常使用鉑制成，并且具有以下特征： 0oC時(shí)的傳感器電阻＝100ohm

　　電阻變化/ oC＝0.385ohm（歐洲基本區(qū)間） 激活傳感器的感應(yīng)電流＝1mA 溫度范圍 ＝ 0至500oC

　　注意，電阻溫度計(jì)需要通過大約1mA的弱電流來確定電阻。1°C的溫度變化會(huì)引起0.385 ohm的電阻變化，因此即使一個(gè)小的電阻測量錯(cuò)誤也會(huì)引起很大的溫度測量誤差。

　　電阻溫度計(jì)需要檢測到0.1oC的溫度變化，這將成為系統(tǒng)在0至500 oC之間的LSB。電阻在這個(gè)范圍的對應(yīng)變化幅度將為192.5ohm。對于這個(gè)變化幅度，該范圍下的電壓將為192.5mV。 現(xiàn)在，動(dòng)態(tài)范圍 ＝ 滿量程電壓/LSB大小 ＝ 192.5mV/38.5uV ＝ 5000

　　要滿足這一要求，13位ADC應(yīng)當(dāng)已經(jīng)夠用。

　　注意，由于整個(gè)RTD傳感器的電壓范圍為100mV到292.5mV且LSB大小足夠低到可由任何SAR ADC分辨，您將需要一個(gè)增益放大器來在ADC可以實(shí)際支持的范圍內(nèi)增大這個(gè)范圍。假設(shè)我們使用一個(gè)固定增益為17的增益放大器。通過使用這個(gè)增益放大器，電壓將從1.7V增加到4.92V。正如前面所解釋的一樣［如圖 2所示］，在這個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)您的ADC將不能夠得到充分利用，因此將限制動(dòng)態(tài)范圍。

　　由于我們在這個(gè)應(yīng)用中最關(guān)心的是LSB大小（RTD傳感器應(yīng)當(dāng)能夠使用0.1oC的溫度變化進(jìn)行響應(yīng)），并且假設(shè)典型ADC具有5V的滿量程電壓，因此您將需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器，其中 ENOB（有效位數(shù)） ＝ 1.44ln（滿量程/LSB） ＝1.44ln（5V/38.5uV） ≈17位（近似值）

　　一個(gè)Δ ADC應(yīng)當(dāng)能夠提供這種性能。 注意，13位應(yīng)用并不總是需要13位轉(zhuǎn)換器。

　　c） 電氣計(jì)量

　　如今，電表變得越來越復(fù)雜，并且要求在不同動(dòng)態(tài)范圍下獲得高精確度，因?yàn)槿魏螠y量誤差都會(huì)使電力公司蒙受巨大的損失。

　　對于動(dòng)態(tài)范圍為2000：1的Class1電表，必須測量的最小信號大約為0.5mV，假設(shè)ADC滿量程電壓為1V。 這種儀表的最大誤差規(guī)格通常為針對指定動(dòng)態(tài)范圍測量的參數(shù)的0.1%。 目標(biāo)錯(cuò)誤＝0.5mV×0.1% ＝500nV。

　　因此，要測量的最小信號為500nV。

　　系統(tǒng)需要從1V中解析出500nV，這將要求ADC具有1V/500nV≈2×106次輸出轉(zhuǎn)換。這需要使用具有21位ENOB的ADC。

　　需要注意的一點(diǎn)是通用21位ADC并不能滿足這些需求，除非它具備一個(gè)良好的噪聲層并能夠分辨最低500nV的電壓。

　　這個(gè)具體示例僅僅介紹了電表中的電壓測量需求。電表中的電流測量具有比電壓測量更嚴(yán)格的需求，但是本例并沒有介紹詳細(xì)內(nèi)容。

　　結(jié)束語

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）宣稱具有“n”位分辨率，這常常被誤解為精確度。分辨率和精確度完全是兩個(gè)概念，兩者不能混用。應(yīng)該由具體的應(yīng)用來確定是否允許丟失代碼以及所需ADC精確度。本文通過解釋一些應(yīng)用示例展示了精確度和分辨率的差別。此外，ADC精確度不能僅僅取決于ADC性能和特性，它與圍繞ADC的整個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)有關(guān)。系統(tǒng)實(shí)際上指定了所需的真正動(dòng)態(tài)范圍。