AD精確度和分辨率

1、ADC制造商在數(shù)據(jù)手冊中定義ADC性能的方式令人困惑，并且可能會在應用開發(fā)中導致錯誤的推斷。最大的困惑也許就是“分辨率”和“精確度”了即Resolution和Accuracy，這是兩個不同的參數(shù)，卻經(jīng)常被混用，但事實上，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”，它們與動態(tài)范圍、噪聲層的關(guān)系，以及在諸如計量等應用中的含義。 ADC動態(tài)范圍，精確度和分辨率 動態(tài)范圍被定義為系統(tǒng)可測量到的最小和最大信號的比例。 最大信號可為峰間值，零到峰(Zero-to-Peak)值或均方根(RMS)滿量程。其中任何一個都會給出不同值。例如，對于一個1V正弦波來說： 峰間(滿量

2、程)值2V 零到峰值1V RMS滿量程0.707×峰值振幅0.707×1V0.707V 最小信號通常為RMS噪聲，這是在未應用信號時測量的信號的均方根值。測量得到的RMS噪聲級別將取決于測量時使用的帶寬。每當帶寬翻倍，記錄的噪聲將增長1.41或3dB。 因此，一定要注意動態(tài)范圍數(shù)字始終與某個帶寬相關(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)和動態(tài)范圍多數(shù)時候被定義為同一個值，即： 動態(tài)范圍 SNR RMS滿量程/RMS噪聲 并且經(jīng)常使用dB作為單位，即 動態(tài)范圍(dB) SNR(dB) 20*Log10 (RMS滿量程/RMS噪聲) 與使用RM

3、S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，這使得最終的動態(tài)范圍或SNR增加了3dB或9dB，因此我們需要仔細研究規(guī)范以避免誤解。 在討論ADC性能時，分辨率和精確度是經(jīng)常被混用的兩個術(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)字化輸入信號時所使用的比特數(shù)決定。對于16位器件，總電壓范圍被表示為216 (65536)個獨立的數(shù)字值或輸出代碼。因此，系統(tǒng)可以測量的絕對最小電平表示為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于給定模擬輸入，實際數(shù)字輸出與理論預期數(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、代碼中有多少個比特表示有關(guān)輸入信號的有用信息。 如前所述，對于16位ADC分辨率，由于出現(xiàn)內(nèi)部或外部誤差源，實際的精確度可能遠小于分辨率。因此，舉例而言，一個給定的16位ADC可能只能提供12位的精確度。對于這種情況，4LSb(最低有效位)表示ADC中生成的隨機噪聲。 ADC動態(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測量電路。 圖1：基本的ADC測量電路。理想ADC生成一個數(shù)字輸出代碼，是關(guān)于模擬信號電壓和電壓參考輸入的方程，其中 輸出代碼 滿量程電壓 × VIN+ - VIN- / VREF+ - VREF- 滿量程電壓 × VIN /VREF

5、每個數(shù)字輸出代碼表示參考電壓的一個小數(shù)值。 必須注意，ADC動態(tài)范圍應當匹配將要轉(zhuǎn)換的信號的最大振幅，這樣才能使ADC轉(zhuǎn)換精度最大化。 現(xiàn)在假設將要轉(zhuǎn)換的信號在0V到2.5V間變化，而VREF等于3.3V，如圖2所示。 圖2：輸入信號振幅和ADC動態(tài)范圍。 16位ADC將包括216 65536個步驟或轉(zhuǎn)換，且最低有效位(LSB)VREF/655363.3V/6553650.35uV。對于理想的ADC，所有代碼都具有1LSB的相同寬度。 如果ADC的最大信號值為2.5V，那么意味著總共有49652次轉(zhuǎn)換(2.5V/1LSB)。對于這種情況，將有15884次轉(zhuǎn)換未被使用(65536-4965215

6、884)。這反應了轉(zhuǎn)換后的信號精確度損失或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最大信號電平為1.2V且VREF3.3V，那么ENOB損失將為1.5位。因此ADC動態(tài)范圍一定要匹配最大信號振幅，以獲得最高精確度。 應用示例 我們通過一些例子來說明這些參數(shù)在某些典型應用中的具體含義。 a) 數(shù)碼相機 簡單來說，數(shù)碼相機的動態(tài)范圍就是圖像傳感器的一個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)由圖像傳感器的動態(tài)范圍(精確度)決定。舉例而言，如果傳感器

7、的動態(tài)范圍為1000：1(也可以稱為60dB)，那么ADC應當至少為10位(2101,024分立電平) 才能避免信息損失。然而，在實際中，應當將ADC往高指定為12位，以允許ADC具有一定的容錯裕量。 只因為相機具有12位或16位的ADC就宣稱它具有12位動態(tài)范圍會令人誤解，因為噪聲以及用于產(chǎn)生這個動態(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態(tài)范圍時上述描述才成立。色調(diào)范圍和動態(tài)范圍永遠也不會超過傳感器的動態(tài)范圍。因此必須要清楚相機的實際動態(tài)范圍。本節(jié)內(nèi)容解釋了具有12位動態(tài)范圍的相機并不表示相機有一個12位的ADC。 b)電阻溫度計 電阻溫度計(RTD)

8、利用了某些材料在不同溫度下電阻會發(fā)生可預測的變化這一原理。電阻溫度計通常使用鉑制成，并且具有以下特征： 0oC時的傳感器電阻100ohm 電阻變化/ oC0.385ohm(歐洲基本區(qū)間) 激活傳感器的感應電流1mA 溫度范圍 0至500oC 注意，電阻溫度計需要通過大約1mA的弱電流來確定電阻。1°C的溫度變化會引起0.385 ohm的電阻變化，因此即使一個小的電阻測量錯誤也會引起很大的溫度測量誤差。 電阻溫度計需要檢測到0.1oC的溫度變化，這將成為系統(tǒng)在0至500 oC之間的LSB。電阻在這個范圍的對應變化幅度將為192.5ohm。對于這個變化幅度，該范圍下的電壓將為192.5m

9、V。 現(xiàn)在，動態(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應當已經(jīng)夠用。 由于我們在這個應用中最關(guān)心的是LSB大小(RTD傳感器應當能夠使用0.1oC的溫度變化進行響應)，并且假設典型ADC具有5V的滿量程電壓，因此您將需要一個轉(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- ADC應當能夠提供這種性能。 注意，13位應用并不總是需要13位轉(zhuǎn)換器。 c) 電氣計量 如今，電表變得越來越復雜，并且要求在不同動態(tài)范圍下獲得高精確度，因為任何測量誤差都會使電力公司蒙

10、受巨大的損失。 對于動態(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態(tài)范圍測量的參數(shù)的0.1%。 目標錯誤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/500nV2×106次輸出轉(zhuǎn)換。這需要使用具有21位ENOB的ADC。 需要注意的一點是通用21位ADC并不能滿足這些需求，除非它具備一個良好的噪聲層并能夠分辨最低500nV的電壓。 這個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格的需求，但是本例并沒有介紹詳細內(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