以上我们了解了转换器误差,接下来,我们将讨论信号链中的剩余部分,以在系统层面了解这些概念。图3所示为一个简单的数据采集信号链示例。图中,一个传感器连传感器的交流信号先是推过两级预调理放大器,然后,到达要采样的ADC输入端。此处的目的是设计这样一个系统,使其可以精确地表示传感器信号,精度保持在传感器原始值的±0.1%之内。嗯,似乎颇具挑战性?
为了设计出这样的系统,有必要思考有哪些类型的误差可能会影响传感器的原始信号,还要想想它们来自信号链的哪个部分。设想一下,在最终对信号采样时,转换器最后会看到什么。
假设在此例中,ADC的满量程输入为10 V,分辨率为12位。如果转换器是理想的转换器,则可确定其动态范围或SNR为74 dB。
图3.简单的数据采集信号链。
SNR = 6.02 (12) + 1.76 = 74 dB (19)
然而,数据手册规格只会显示,转换器的SNR为60 dB或9.67ENOB。
ENOB = (SNR – 1.76)/6.02 = (60 – 1.76)/6.02 = 9.67 位 (20)
请注意SNR和ENOB的计算方法:在用数据手册中的SNR数据计算ENOB时,设计人员必须明白的是,该数据可能包括,也可能不包括谐波。如果确实包括失真,则可使用SINAD,后者定义为SNR与失真之和,有时称为THD(总谐波失真)。
因此,LSB大小可以定义为12.2 mV p-p or VFS/2N = 10/29.67。这样可以大幅减少数据输出端可能发生的表征的数量。记住,最后的LSB/位因ADC中存在噪声而摆动!
图4. 记住,20 dB/十倍频程,或3 × 20 = 60 dB。
表1列出了一些简单的等值换算,供确定目标系统性能时参考。
其他系统不精确性
要注意上面的信号链示例中建议的全部前端组件。正因为转换器精度达到或超过系统定义的系统精度规格,所以,还有更多的不精确性要理解——即前端、电源、任何其他外部影响或环境。
如上图3所示,这种信号链的设计可能非常复杂,超过了本文讨论的范围。但可以对与这种信号链相关的不精确性/误差进行简单总结,如表2所示。
在任何信号链里都存在许多误差,更不用说电缆和其他外部影响,这些因素也可能在很大程度上决定着这种系统的设计。无论累积误差怎样,最终都会与信号一起在转换器端被采样——假设误差不会大到能屏蔽被采样信号的程度!
在用转换器进行设计时,要记住,对于系统精度的定义,等式包括两个部分。一是上面描述的转换器本身,二是用来在转换器之前调理信号的所有组件。记住,每丢失1位,动态范围就会减少6 dB。推论就是,每获得1位,系统灵敏度就会增长2倍。因此,前端要求的精度规格要远远高于用于对信号采样的转换器精度。
为了展示这一点,我们采用与图3所示相同的前端设计。假设,前端本身的不精确性为20 mV p-p;即是图5所示累积噪声。系统精度仍然定义为0.1%。同样的12位转换器,其精度能否达到定义的系统规格要求?答案是不能,原因如下。