詳述ADC精度和分辨率的概念差異

　　在與使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交談時(shí)，我最常聽到的一個(gè)問題就是：

　　“你的16位ADC的精度也是16位的嗎?”

　　這個(gè)問題的答案取決于對(duì)分辨率和精度概念的基本理解。盡管是兩個(gè)完全不同的概念，這兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)經(jīng)常被搞混和交換使用。

　　該文詳述了這兩個(gè)概念間的差異，并將深入研究造成ADC不準(zhǔn)確的主要原因。

　　ADC的分辨率被定義為輸入信號(hào)值的最小變化，這個(gè)最小數(shù)值變化會(huì)改變數(shù)字輸出值的一個(gè)數(shù)值。對(duì)于一個(gè)理想ADC來說，傳遞函數(shù)是一個(gè)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(duì)于理想響應(yīng)有一個(gè)較大的偏離。這是因?yàn)锳DC以及驅(qū)動(dòng)器電路導(dǎo)致的噪聲會(huì)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(gè)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(diǎn)表示)?，F(xiàn)實(shí)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(dòng)器電路)，輸出代碼被分布在多個(gè)代碼上(由下面的一團(tuán)紅點(diǎn)表示)。系統(tǒng)中的噪聲越多，數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合就越寬，反之亦然。圖1中顯示的是一個(gè)中量程DC輸入的示例。ADC傳遞函數(shù)上輸出點(diǎn)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(gè)有意思的問題。如果同樣的模擬輸入會(huì)導(dǎo)致多個(gè)數(shù)字輸出，那么對(duì)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(hào)鏈中所有的噪聲和失真計(jì)算在內(nèi)時(shí)，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(jì)算得出：

　　下面，考慮一下圖1中的輸出代碼簇(紅點(diǎn))不是位于理想輸出代碼的中央，而是位于遠(yuǎn)離黑點(diǎn)的ADC傳遞曲線上的其他位置(如圖2中所示)。這個(gè)距離是指示出采集系統(tǒng)精度。不但ADC，還有前端驅(qū)動(dòng)電路、基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖器都會(huì)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(diǎn)是ADC精度和分辨率是兩個(gè)也許不相等的不同參數(shù)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。