詳述ADC精度和分辨率的概念差異

　　在與使用模數轉換器(ADC)的系統設計人員進(jìn)行交談時(shí)，我最常聽(tīng)到的一個(gè)問(wèn)題就是：

　　“你的16位ADC的精度也是16位的嗎?”

　　這個(gè)問(wèn)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(gè)完全不同的概念，這兩個(gè)數據項經(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(gè)最小數值變化會(huì )改變數字輸出值的一個(gè)數值。對于一個(gè)理想ADC來(lái)說(shuō)，傳遞函數是一個(gè)步寬等于分辨率的階梯。然而，在具有較高分辨率的系統中(≥16位)，傳輸函數的響應將相對于理想響應有一個(gè)較大的偏離。這是因為ADC以及驅動(dòng)器電路導致的噪聲會(huì )降低ADC的分辨率。

　　此外，如果DC電壓被施加到理想ADC的輸入上并且執行多個(gè)轉換的話(huà)，數字輸出應該始終為同樣的代碼(由圖1中的黑點(diǎn)表示)?，F實(shí)中，根據總體系統噪聲(也就是包括電壓基準和驅動(dòng)器電路)，輸出代碼被分布在多個(gè)代碼上(由下面的一團紅點(diǎn)表示)。系統中的噪聲越多，數據點(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傳遞函數上輸出點(diǎn)的集合通常被表現為ADC數據表中的DC柱狀圖。

　　圖1：ADC傳遞曲線(xiàn)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(wèn)題。如果同樣的模擬輸入會(huì )導致多個(gè)數字輸出，那么對于A(yíng)DC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，當我們將信號鏈中所有的噪聲和失真計算在內時(shí)，正如等式(1)中所顯示的那樣，ADC的有效無(wú)噪聲分辨率取決于輸出代碼分布(NPP)。

　　在典型ADC數據表中，有效位數(ENOB)間接地由AC參數和信噪失真比(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(diǎn))不是位于理想輸出代碼的中央，而是位于遠離黑點(diǎn)的ADC傳遞曲線(xiàn)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精度。不但ADC，還有前端驅動(dòng)電路、基準和基準緩沖器都會(huì )影響到總體系統精度。

　　圖2：ADC傳遞曲線(xiàn)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。從系統設計角度講，精度確定了系統的總體誤差預算，而系統軟件算法完整性、控制和監視功能取決于分辨率。