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(kāi)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(mǎn)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(lái)說(shuō)： 峰間(滿(mǎn)量

2、程)值2V 零到峰值1V RMS滿(mǎn)量程0.707×峰值振幅0.707×1V0.707V 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(méi)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(mǎn)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(mǎn)量程/RMS噪聲) 與使用RM

3、S滿(mǎn)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(yǔ)。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)換器的精確度決定了數(shù)字輸出

4、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(mǎn)量程電壓 × VIN+ - VIN- / VREF+ - VREF- 滿(mǎn)量程電壓 × VIN /VREF

5、每個(gè)數(shù)字輸出代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。 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/655363.3V/6553650.35uV。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(65536-4965215

6、884)。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VREF3.3V，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。 應(yīng)用示例 我們通過(guò)一些例子來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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

7、的動(dòng)態(tài)范圍為1000：1(也可以稱(chēng)為60dB)，那么ADC應(yīng)當(dāng)至少為10位(2101,024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(chēng)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(méi)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(guò)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)

8、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/ oC0.385ohm(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(guò)大約1mA的弱電流來(lái)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(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192.5m

9、V。 現(xiàn)在，動(dòng)態(tài)范圍 滿(mǎn)量程電壓/LSB大小 192.5mV/38.5uV 5000 要滿(mǎn)足這一要求，13位ADC應(yīng)當(dāng)已經(jīng)夠用。 由于我們?cè)谶@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(mǎn)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(mǎn)量程/LSB) 1.44ln(5V/38.5uV) 17位(近似值) 一個(gè)- 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(lái)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

10、受巨大的損失。 對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍為2000：1的Class1電表，必須測(cè)量的最小信號(hào)大約為0.5mV，假設(shè)ADC滿(mǎn)量程電壓為1V。 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0.5mV×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/500nV2×106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(mǎn)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(méi)有介紹詳細(xì)內(nèi)容。 結(jié)束語(yǔ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)宣稱(chēng)具有“n”位分辨率，這常常被誤解為精確度。分辨率和精