您可能知道,有效位数 (ENOB) 和有效分辨率都是与 ADC 分辨率有关的参数。理解它们的区别并确定哪个更具相关性,是令 ADC 用户与应用工程师等极为困惑的问题,经常因此发生争论。
您认为哪个更重要?
ADC 的分辨率位数 (N) 可决定 ADC 的动态范围 (DR),其代表 ADC 可测量的输入信号等级范围,通常以 [dB] 为单位。DR 可定义为:
请注意,由于信号在给定时间视窗内的 RMS 幅值取决于信号幅值在该时间视窗内如何变化,因此 ADC 的 DR 变化取决于输入信号特征。对于其满量程范围 (FSR) 内的恒定 DC 输入而言,理想的 N 位 ADC 可分别测量 FSR 和 FSR/2N 的最大及最小 RMS 幅值。因此,ADC 的 DR 为:
同理,对于幅值随 ADC FSR 变化而变化的正弦波信号输入而言,理想的 N 位 ADC 可测量 (FSR/2)/√2 的最大 RMS 幅值。正弦波输入信号的最小可测量 RMS 幅值受量化误差的限制,其近似于幅值为半个 LSB 或 FSR/2N+1 的锯齿波。幅值 A 的锯齿波 RMS 幅值为 A/√3。因此,正弦波输入信号的理想 ADC 的 DR 是:
真正的 ADC 具有可降低 DR 的误差。事实上,根据输入信号特征的不同,在输入信号接近其最小值时,ADC 输出有不同类型的误差占主导地位。
对于恒定 DC 输入而言,ADC 的输出误差主要取决于所谓的“过渡”噪声,其包含 ADC、ADC 驱动器以及电源等组件的固有宽带散热噪声。如果 ADC 不存在较大的线性 (DNL) 问题,过渡噪声可在 ADC 输出端产生一个近似高斯代码分布。
图 1:恒定 DC 输入的 ADC 输出代码直方图
本直方图的一个标准偏差 (σHISTO) 相当于过渡噪声的 RMS 值。在 σHISTO 》 1 LSB 时,ADC 的 DC DR 就会减小至:
将 (2) 和 (4) 组合起来,可重新计算出降低的分辨率或有效分辨率:
同理,对于时间变化的输入而言,ADC 的输出包含动态误差(即量化噪声与失真)以及可降低 DR 的过渡噪声。改变后的 DR 通常被称为 SINAD,重新计算的 ADC 分辨率被称为 ENOB。因此:
总之,给定 ADC 可能具有不同的 DR 和分辨率,主要取决于输入是 AC 还是 DC 信号。因此,ADC 分辨率有单独的衡量指标,其对应于不同的输入条件,即 ENOB 对应于 AC 输入,有效分辨率对应于 DC 输入。确定哪种更适合自然取决于您的应用。
您可能知道,有效位数 (ENOB) 和有效分辨率都是与 ADC 分辨率有关的参数。理解它们的区别并确定哪个更具相关性,是令 ADC 用户与应用工程师等极为困惑的问题,经常因此发生争论。
您认为哪个更重要?
ADC 的分辨率位数 (N) 可决定 ADC 的动态范围 (DR),其代表 ADC 可测量的输入信号等级范围,通常以 [dB] 为单位。DR 可定义为:
请注意,由于信号在给定时间视窗内的 RMS 幅值取决于信号幅值在该时间视窗内如何变化,因此 ADC 的 DR 变化取决于输入信号特征。对于其满量程范围 (FSR) 内的恒定 DC 输入而言,理想的 N 位 ADC 可分别测量 FSR 和 FSR/2N 的最大及最小 RMS 幅值。因此,ADC 的 DR 为:
同理,对于幅值随 ADC FSR 变化而变化的正弦波信号输入而言,理想的 N 位 ADC 可测量 (FSR/2)/√2 的最大 RMS 幅值。正弦波输入信号的最小可测量 RMS 幅值受量化误差的限制,其近似于幅值为半个 LSB 或 FSR/2N+1 的锯齿波。幅值 A 的锯齿波 RMS 幅值为 A/√3。因此,正弦波输入信号的理想 ADC 的 DR 是:
真正的 ADC 具有可降低 DR 的误差。事实上,根据输入信号特征的不同,在输入信号接近其最小值时,ADC 输出有不同类型的误差占主导地位。
对于恒定 DC 输入而言,ADC 的输出误差主要取决于所谓的“过渡”噪声,其包含 ADC、ADC 驱动器以及电源等组件的固有宽带散热噪声。如果 ADC 不存在较大的线性 (DNL) 问题,过渡噪声可在 ADC 输出端产生一个近似高斯代码分布。
图 1:恒定 DC 输入的 ADC 输出代码直方图
本直方图的一个标准偏差 (σHISTO) 相当于过渡噪声的 RMS 值。在 σHISTO 》 1 LSB 时,ADC 的 DC DR 就会减小至:
将 (2) 和 (4) 组合起来,可重新计算出降低的分辨率或有效分辨率:
同理,对于时间变化的输入而言,ADC 的输出包含动态误差(即量化噪声与失真)以及可降低 DR 的过渡噪声。改变后的 DR 通常被称为 SINAD,重新计算的 ADC 分辨率被称为 ENOB。因此:
总之,给定 ADC 可能具有不同的 DR 和分辨率,主要取决于输入是 AC 还是 DC 信号。因此,ADC 分辨率有单独的衡量指标,其对应于不同的输入条件,即 ENOB 对应于 AC 输入,有效分辨率对应于 DC 输入。确定哪种更适合自然取决于您的应用。
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