原创 详述ADC精度和分辨率的概念差异

在与使用模数转换器 (ADC) 的系统设计人员进行交谈时，我最常听到的一个问题就是： “你的16位ADC的精度也是16位的吗？” 这个问题的答案取决于对分辨率和精度概念的基本理解。尽管是两个完全不同的概念，这两个数据项经常被搞混和交换使用。 该文详述了这两个概念间的差异，并将深入研究造成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。