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高速模数转换器信号链内部导致不精确性误差的原因分析


  来源: 电子发烧友 时间:2018-10-11 编辑:思扬
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本文将描述精度、分辨率和动态范围之间的差异。本文还将揭示信号链内部的不精确性是如何累积并导致误差的。定义新设计的系统参数时,这些内容对于理解如何正确指定或选择一个ADC有着重要作用。


精度、分辨率与动态范围

许多转换器用户似乎在互换使用精度和分辨率这两个术语,但这种做法是错误的。精度和分辨率这两个术语并不相等,但是具有相关性,所以,不应互换使用。可以把精度和分辨率视为堂兄妹,但不是双胞胎。
精度就是误差,或者说测量值偏离真值的幅度。精度误差可以称为灵敏度错误。分辨率就是测得值的表示或显示精细度。即使系统的分辨率为12位,也并不意味着它能测量精度为12位的值。

例如,假设一块万用表可以用6位数来表示测量值。则该万用表的分辨率为6位,但是,如果最后一位或两位数似乎在测量值之间摆动,则分辨率会受到影响,测量精度同样会受到影响。 系统或信号链里的误差会一直累积,使原始测量值失真。因此,了解系统的动态范围也很关键,以便衡量要设计的信号链的精度和分辨率。

我们再以万用表为例。如果表示位数为6,则其动态范围应为120 dB(或6 × 20 dB/十倍频程)。但要注意的是,最后两位仍在摆动。因此,真实动态范围只有80 dB。这就是说,如果设计人员要测量1 µV(或0.000001 V)的电压,则该测量值的误差可能高达100 µV,因为实际器件的精度仅为100 µV(或0.0001 V或0.0001XX V,其中,XX表示在摆动的最后两位)。

实际上,描述任何系统的整体精度的方法有两种:直流和交流。直流精度表示整个给定信号链中展现出来的“偏离”累积误差,这种方法有时称为“最差条件”分析。交流精度表示整个信号链中累积的噪声误差项,这项指标决定着系统的信噪比(SNR)。然后把这些误差累加起来,结果会使SNR下降,并产生整个设计更真实的有效位数(ENOB)。实际上,取得这两个参数可以告诉用户,在静态和动态信号下,系统有多精确。


低频SNR、ENOB、有效分辨率和无噪声代码分辨率之间的关系

记住,ADC可以“接受”多种信号(通常分为直流或交流),并以数字方式对信号进行量化。了解ADC在系统中的误差意味着,设计人员必须了解要采样的信号的类型。因此,信号类型取决于如何定义转换器误差对整个系统的贡献。这些转换器误差一般以两种方式定义:无噪声代码分辨率(表示直流类信号)和“信噪比等式”(表示交流类信号)。

由于电阻噪声和“kT/C”噪声,所有有源器件(如ADC内部电路)都会产生一定量的均方根(RMS)噪声。即使是直流输入信号,此噪声也存在,它是转换器传递函数中代码跃迁噪声存在的原因。其更常用的说法为折合到输入端噪声。折合到输入端噪声通常用将直流输入施加到转换器时的若干输出样本的直方图来表征。大多数高速或高分辨率ADC的输出为一系列以直流输入标称值为中心的代码。为了测量其值,ADC的输入端接地或连接到一个深度去耦的电压源,然后采集大量输出样本并将其表示为直方图(有时也称为“接地输入”直方图)-见图1。由于噪声大致呈高斯分布,因此可以计算直方图的标准差σ,它对应于有效输入均方根噪声,表示为LSB rms。



图1.转换器折合到输入端噪声或ADC“接地输入”直方图。


虽然ADC固有的差分非线性(DNL)可能会导致其噪声分布与理想的高斯分布有细微的偏差,但它至少大致呈高斯分布。如果代码分布具有较大且独特的峰值和谷值,则表明存在PC板布局欠佳、接地不良、电源去耦不当等问题。

典型情况下,折合到输入端噪声可以表示为均方根量,单位通常是LSB rms。涉及这类量的规格通常与高分辨率精密型转换器相关,原因在于较低的采样速率和/或其采集的直流类或低速信号。设计用于精度测量的Σ-Δ ADC,其分辨率在16至24位之间,其数据手册一般会列出折合到输入端噪声、有效分辨率、无噪声代码分辨率等规格,用以描述其直流动态范围。

另一方面,面向音频应用的较高频率的Σ-Δ ADC一般都用总谐波失真(THD)和总谐波失真加噪声(THD + N)来描述。

关键词:转换器 信号 测量    浏览量:4051

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