分辨率

分辨率(Resolution)是指ADC能夠分辨量化的最小信號(hào)的能力，用二進(jìn)制位數(shù)表示。

比如：一個(gè)10位的ADC，其所能分辨的最小量化電平為參考電平(滿量程)的2的10次方分之一。即分辨率越高，就可以將滿量程里的電平分出更多份數(shù)，得到的結(jié)果就越精確，得到的數(shù)字信號(hào)再用DAC轉(zhuǎn)換回去后就越接近原來(lái)輸入的模擬值。

所以，對(duì)于給定的一個(gè)具體ADC器件，其分辨率值是固定的。

精度

精度(Precision)是指對(duì)于給定模擬輸入，實(shí)際數(shù)字輸出與理論預(yù)期數(shù)字輸出之間的接近度(誤差值是多少)。換而言之，轉(zhuǎn)換器的精度決定了數(shù)字輸出代碼中有多少個(gè)比特表示有關(guān)輸入信號(hào)的有用信息。

有些ADC器件的datasheet中，會(huì)注明精度值或精度范圍。

對(duì)于給定的一個(gè)具體ADC器件，其精度值可能會(huì)受外界環(huán)境(溫度、干擾等)的影響而變化。

ADC的動(dòng)態(tài)范圍精確度和分辨率

動(dòng)態(tài)范圍被定義為系統(tǒng)可測(cè)量到的最小和最大信號(hào)的比例。

最大信號(hào)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(gè)都會(huì)給出不同值。例如，對(duì)于一個(gè)1V正弦波來(lái)說：峰間(滿量程)值=2V 零到峰值=1V

RMS滿量程=0.707×峰值振幅=0.707×1V=0.707V

最小信號(hào)通常為RMS噪聲，這是在未應(yīng)用信號(hào)時(shí)測(cè)量的信號(hào)的均方根值。測(cè)量得到的RMS噪聲級(jí)別將取決于測(cè)量時(shí)使用的帶寬。每當(dāng)帶寬翻倍，記錄的噪聲將增長(zhǎng)1.41或3dB。

因此，一定要注意動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字始終與某個(gè)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(dòng)態(tài)范圍多數(shù)時(shí)候被定義為同一個(gè)值，即：動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍(dB) = SNR(dB) = 20*Log10 (RMS滿量程/RMS噪聲)在與使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交談時(shí)，我最常聽到的一個(gè)問題就是：

“你的16位ADC的精度也是16位的嗎?”

這個(gè)問題的答案取決于對(duì)分辨率和精度概念的基本理解。盡管是兩個(gè)完全不同的概念，這兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)經(jīng)常被搞混和交換使用。

該文詳述了這兩個(gè)概念間的差異，并將深入研究造成ADC不準(zhǔn)確的主要原因。

ADC的分辨率被定義為輸入信號(hào)值的最小變化，這個(gè)最小數(shù)值變化會(huì)改變數(shù)字輸出值的一個(gè)數(shù)值。對(duì)于一個(gè)理想ADC來(lái)說，傳遞函數(shù)是一個(gè)步寬等于分辨率的階梯。然而，在具有較高分辨率的系統(tǒng)中(≥16位)，傳輸函數(shù)的響應(yīng)將相對(duì)于理想響應(yīng)有一個(gè)較大的偏離。這是因?yàn)锳DC以及驅(qū)動(dòng)器電路導(dǎo)致的噪聲會(huì)降低ADC的分辨率。

為了確保系統(tǒng)滿足所需的精度規(guī)范，深入了解不同的誤差源非常重要。決定信號(hào)鏈精度的最關(guān)鍵因素之一是A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，這是本文的重點(diǎn)。請(qǐng)記住，ADC的精度可以用絕對(duì)精度、相對(duì)精度和總未調(diào)整誤差來(lái)表征。

一個(gè)偶爾會(huì)讓年輕工程師感到困惑的常見問題是：精度與分辨率有什么關(guān)系?例如，我的12位ADC也是12位精度的嗎?在之前關(guān)于微分非線性(DNL)誤差規(guī)范的文章中，我們簡(jiǎn)要討論了分辨率和精度表征ADC的兩個(gè)不同方面。

ADC設(shè)計(jì)參數(shù)——分辨率

分辨率指定了ADC特性曲線中的步數(shù)。對(duì)于具有均勻步長(zhǎng)的理想ADC，分辨率決定了使輸出變化一個(gè)計(jì)數(shù)的模擬輸入電壓的最小變化。例如，具有12位分辨率的ADC可以在212中分辨出1個(gè)部分(4096中的1個(gè)部分)。換句話說，12位ADC可以檢測(cè)小至滿量程值0.0244%的電壓。然而，這并不意味著轉(zhuǎn)換誤差(ADC輸出的輸入和模擬等效值之間的差)小于0.0244%。

分辨率主要是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，而不是性能規(guī)格。它沒有指定實(shí)際由ADC非線性、偏移和增益誤差等非理想效應(yīng)決定的轉(zhuǎn)換誤差。

ADC精度：精度低于分辨率時(shí)

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的上下文中，通常用比特?cái)?shù)來(lái)表示精度。例如，我們可以說這個(gè)ADC的精度為12位。這意味著轉(zhuǎn)換誤差小于滿標(biāo)度值除以212。換句話說，轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)LSB(最低有效位)。

考慮到這一點(diǎn)，這可能不是表達(dá)性能準(zhǔn)確性的準(zhǔn)確方式，因?yàn)椴磺宄@種表征中實(shí)際包含了哪些誤差源。然而，它似乎通常是指偏移、增益和積分非線性(INL)誤差的組合效應(yīng)。轉(zhuǎn)換器的精度可能遠(yuǎn)低于其分辨率。

分辨率和精度—即Resolution和Accuracy。這是兩個(gè)不同的參數(shù)，卻經(jīng)常被混用。并且ADC制造商在數(shù)據(jù)手冊(cè)中定義ADC性能的方式也令人困惑，可能會(huì)讓大家在應(yīng)用開發(fā)中導(dǎo)致錯(cuò)誤的推斷。但事實(shí)上，分辨率并不能代表精確度，反之亦然。

分辨率和精度

分辨率

分辨率(Resolution)是指ADC能夠分辨量化的最小信號(hào)的能力，用二進(jìn)制位數(shù)表示。

比如：一個(gè)10位的ADC，其所能分辨的最小量化電平為參考電平(滿量程)的2的10次方分之一。即分辨率越高，就可以將滿量程里的電平分出更多份數(shù)，得到的結(jié)果就越精確，得到的數(shù)字信號(hào)再用DAC轉(zhuǎn)換回去后就越接近原來(lái)輸入的模擬值。

所以，對(duì)于給定的一個(gè)具體ADC器件，其分辨率值是固定的。

精度

精度(Precision)是指對(duì)于給定模擬輸入，實(shí)際數(shù)字輸出與理論預(yù)期數(shù)字輸出之間的接近度(誤差值是多少)。換而言之，轉(zhuǎn)換器的精度決定了數(shù)字輸出代碼中有多少個(gè)比特表示有關(guān)輸入信號(hào)的有用信息。

有些ADC器件的datasheet中，會(huì)注明精度值或精度范圍。

對(duì)于給定的一個(gè)具體ADC器件，其精度值可能會(huì)受外界環(huán)境(溫度、干擾等)的影響而變化。

ADC的動(dòng)態(tài)范圍精確度和分辨率

動(dòng)態(tài)范圍被定義為系統(tǒng)可測(cè)量到的最小和最大信號(hào)的比例。

最大信號(hào)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(gè)都會(huì)給出不同值。例如，對(duì)于一個(gè)1V正弦波來(lái)說：峰間(滿量程)值=2V 零到峰值=1V

RMS滿量程=0.707×峰值振幅=0.707×1V=0.707V

最小信號(hào)通常為RMS噪聲，這是在未應(yīng)用信號(hào)時(shí)測(cè)量的信號(hào)的均方根值。測(cè)量得到的RMS噪聲級(jí)別將取決于測(cè)量時(shí)使用的帶寬。每當(dāng)帶寬翻倍，記錄的噪聲將增長(zhǎng)1.41或3dB。

因此，一定要注意動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字始終與某個(gè)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(dòng)態(tài)范圍多數(shù)時(shí)候被定義為同一個(gè)值，即：動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍(dB) = SNR(dB) = 20*Log10 (RMS滿量程/RMS噪聲)

與使用RMS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(dòng)態(tài)范圍或SNR增加了3dB或9dB，因此我們需要仔細(xì)研究規(guī)范以避免誤解。

ADC分辨率由數(shù)字化輸入信號(hào)時(shí)所使用的比特?cái)?shù)決定。對(duì)于16位器件，總電壓范圍被表示為(216 =65536)個(gè)獨(dú)立的數(shù)字值或輸出代碼。因此，系統(tǒng)可以測(cè)量的絕對(duì)最小電平表示為1比特，或ADC電壓范圍的1/65536。

如前所述，對(duì)于16位ADC分辨率，由于出現(xiàn)內(nèi)部或外部誤差源，實(shí)際的精確度可能遠(yuǎn)小于分辨率。因此，舉例而言，一個(gè)給定的16位ADC可能只能提供12位的精確度。對(duì)于這種情況，4LSb(最低有效位)表示ADC中生成的隨機(jī)噪聲。ADC動(dòng)態(tài)范圍和ADC精確度通常指相同的內(nèi)容。