ADC精度(I)：精度与分辨率是一回事吗？

今天的博文详述了这两个概念间的差异。我们将在一系列帖子中深入研究造成ADC不准确的主要原因。

ADC的分辨率被定义为输入信号值的最小变化，这个最小数值变化会改变数字输出值的一个数值。对于一个理想ADC来说，传递函数是一个步宽等于分辨率的阶梯。然而，在具有较高分辨率的系统中(≥16位)，传输函数的响应将相对于理想响应有一个较大的偏离。这是因为ADC以及驱动器电路导致的噪声会降低ADC的分辨率。

此外，如果DC电压被施加到理想ADC的输入上并且执行多个转换的话，数字输出应该始终为同样的代码(由图1中的黑点表示)。现实中，根据总体系统噪声(也就是包括电压基准和驱动器电路)，输出代码被分布在多个代码上(由下面的一团红点表示)。系统中的噪声越多，数据点的集合就越宽，反之亦然。图1中显示的是一个中量程DC输入的示例。ADC传递函数上输出点的集合通常被表现为ADC数据表中的DC柱状图。
  


图1：ADC传递曲线上ADC分辨率和有效分辨率的图示

图1中的图表提出了一个有意思的问题。如果同样的模拟输入会导致多个数字输出，那么对于ADC分辨率的定义仍然有效吗?是的，前提是我们只考虑ADC的量化噪声。然而，当我们将信号链中所有的噪声和失真计算在内时，正如等式 (1) 中所显示的那样，ADC的有效无噪声分辨率取决于输出代码分布 (NPP)。
  


在典型ADC数据表中，有效位数 (ENOB) 间接地由AC参数和信噪失真比 (SINAD) 指定，可使用方程式2计算得出：
  


下面，考虑一下图1中的输出代码簇(红点)不是位于理想输出代码的中央，而是位于远离黑点的ADC传递曲线上的其他位置(如图2中所示)。这个距离是指示出采集系统精度。不但ADC，还有前端驱动电路、基准和基准缓冲器都会影响到总体系统精度。
  


图2：ADC传递曲线的精度图示

需要注意的重要一点是ADC精度和分辨率是两个也许不相等的不同参数。从系统设计角度讲，精度确定了系统的总体误差预算，而系统软件算法完整性、控制和监视功能取决于分辨率。

在我的下一篇帖子中，我将谈一谈决定数据采集系统“总”精度的关键因素。