AD精確度和分辨率

1、ADC制造商在數(shù)據(jù)手冊(cè)中定義ADC性能的方式令人困惑，并且可能會(huì)在應(yīng)用開發(fā)中導(dǎo)致錯(cuò)誤的推斷。最大的困惑也許就是 分辨率”和精確度”了即Resolution和Accuracy ,這是 兩個(gè)不同的參數(shù)，卻經(jīng)常被混用，但事實(shí)上，分辨率并不能代表精確度，反之亦然。本文提 出并解釋了 ADC“分辨率”和精確度”，它們與動(dòng)態(tài)范圍、噪聲層的關(guān)系，以及在諸如計(jì)量等 應(yīng)用中的含義。ADC動(dòng)態(tài)范圍，精確度和分辨率動(dòng)態(tài)范圍被定義為系統(tǒng)可測(cè)量到的最小和最大信號(hào)的比例。最大信號(hào)可為峰間值，零到峰(Zero-to-Peak)值或均方根(RMS)滿量程。其中任何一個(gè)都會(huì)給出不同值。例如，對(duì)于一個(gè)1V正弦波來說：峰間(滿量程

2、)值=2V零到峰值=1VRMS 滿量程=0.707 劉條值振幅=0.707 X1V = 0.707V最小信號(hào)通常為 RMS噪聲，這是在未應(yīng)用信號(hào)時(shí)測(cè)量的信號(hào)的均方根值。測(cè)量得到的RMS噪聲級(jí)別將取決于測(cè)量時(shí)使用的帶寬。每當(dāng)帶寬翻倍，記錄的噪聲將增長(zhǎng)1.41或3dB。因此，一定要注意動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字始終與某個(gè)帶寬相關(guān)，而后者通常未被指定， 這使記錄的值變得沒有意義。器件的信噪比(SNR)和動(dòng)態(tài)范圍多數(shù)時(shí)候被定義為同一個(gè)值，即：動(dòng)態(tài)范圍 =SNR = RMS滿量程/RMS噪聲并且經(jīng)常使用dB作為單位，即動(dòng)態(tài)范圍(dB) = SNR(dB) = 20*Log10 (RMS 滿量程 /RMS 噪聲)與使用

3、RMS滿量程相反，一些制造商為了使圖表看上去更漂亮，引用零到峰或峰間值，這 使得最終的動(dòng)態(tài)范圍或 SNR增加了 3dB或9dB ,因此我們需要仔細(xì)研究規(guī)范以避免誤解。在討論ADC性能時(shí)，分辨率和精確度是經(jīng)常被混用的兩個(gè)術(shù)語。一定要注意，分辨率并不 能代表精確度，反之亦然。ADC分辨率由數(shù)字化輸入信號(hào)時(shí)所使用的比特?cái)?shù)決定。對(duì)于16位器件，總電壓范圍被表示為216 (65536)個(gè)獨(dú)立的數(shù)字值或輸出代碼。因此，系統(tǒng)可以測(cè)量的絕對(duì)最小電平表示為1比特，或 ADC電壓范圍的1/65536。A/D轉(zhuǎn)換器的精確度是指對(duì)于給定模擬輸入，實(shí)際數(shù)字輸出與理論預(yù)期數(shù)字輸出之間的接近度。換而言之，轉(zhuǎn)換器的精確度決定

4、了數(shù)字輸出代碼中有多少個(gè)比特表示有關(guān)輸入信號(hào)的有 用信息。如前所述，對(duì)于16位ADC分辨率，由于出現(xiàn)內(nèi)部或外部誤差源，實(shí)際的精確度可能遠(yuǎn)小于分辨率。因此，舉例而言，一個(gè)給定的16位ADC可能只能提供12位的精確度。對(duì)于這種情況，4LSb（最低有效位）表示ADC中生成的隨機(jī)噪聲。ADC動(dòng)態(tài)范圍和ADC精確度通常指相同的內(nèi)容。圖1展示了基本的 ADC測(cè)量電路。圖1 :基本的ADC測(cè)量電路。理想ADC生成一個(gè)數(shù)字輸出代碼，是關(guān)于模擬信號(hào)電壓和電壓參考輸入的方程，其中輸出代碼 = 滿量程電壓 X VIN+ - VIN- / VREF+ - VREF-= 滿量程電壓 X VIN /VREF每個(gè)數(shù)字輸出代

5、碼表示參考電壓的一個(gè)小數(shù)值。必須注意，ADC動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)當(dāng)匹配將要轉(zhuǎn)換的信號(hào)的最大振幅，這樣才能使ADC轉(zhuǎn)換精度最大化。現(xiàn)在假設(shè)將要轉(zhuǎn)換的信號(hào)在0V到2.5V間變化，而VREF等于3.3V,如圖2所示。VREF = 3.3V N i>. of Tiaai必”叩宇=£3336Un-utilized ADC Transitionsfi 5S84)2.5V-Ro.oi Tiewtsiriotis- 4毓5Z圖2：輸入信號(hào)振呻 ADC動(dòng)忐沌國(guó)“圖2:輸入信號(hào)振幅和ADC動(dòng)態(tài)范圍。16位ADC將包括216 = 65536個(gè)步驟或轉(zhuǎn)換，且最低有效位（LSB） = VREF/65536 =3.

6、3V/65536 = 50.35uV。對(duì)于理想的 ADC ,所有代碼都具有 1LSB的相同寬度。如果ADC的最大信號(hào)值為 2.5V,那么意味著總共有 49652次轉(zhuǎn)換（2.5V/1LSB）。對(duì)于這種 情況，將有15884次轉(zhuǎn)換未被使用（65536-49652 = 15884）。這反應(yīng)了轉(zhuǎn)換后的信號(hào)精確度 損失或ENOB損失（損失0.4位）。如果ADC參考（VREF）和ADC最大信號(hào)電平之間的差異增加， 那么ENOB損失或精確度損 失將加劇。例如，如果 ADC最大信號(hào)電平為1.2V且VREF = 3.3V，那么ENOB損失將為 1.5位。因此ADC動(dòng)態(tài)范圍一定要匹配最大信號(hào)振幅，以獲得最高精確度

7、。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。a）數(shù)碼相機(jī)簡(jiǎn)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(cè)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（2A10 = 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?以及用于產(chǎn)生這個(gè)動(dòng)態(tài)范

8、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(cè)的變化這一原理。電阻溫度計(jì)通常使用鉗制成，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

9、6;C的溫度變化會(huì)引起 0.385ohm的電阻變化，因此即使一個(gè)小的電阻測(cè)量錯(cuò)誤也會(huì)引起很大的溫度測(cè)量誤差。電阻溫度計(jì)需要檢測(cè)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(duì)應(yīng)變化幅度將為192.5ohm。對(duì)于這個(gè)變化幅度，該范圍下的電壓將為192.5mV ?，F(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

10、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?cè)谶@個(gè)應(yīng)用中最關(guān)心的是LSB大?。≧TD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）X 17位（近似值）一個(gè)S-A 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

11、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(cè)量誤差都會(huì)使電力公司蒙受巨大的損失。對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍為 2000 : 1的Classi電表，必須測(cè)量的最小信號(hào)大約為0.5mV，假設(shè)ADC滿量程電壓為IV。這種儀表的最大誤差規(guī)格通常為針對(duì)指定動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量的參數(shù)的0.1%。目標(biāo)錯(cuò)誤=0.5m" 0.1%=500nV 。因此，要測(cè)量的最小信號(hào)為500nV。系統(tǒng)需要從1V中解析出500nV，這將要求ADC具有1V/500nVe2X 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(cè)量需求。電表中的電流測(cè)量具有比電壓測(cè)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 )宣稱具有分辨率