從恆溫器到飛行控制,多種系統都採用類比轉數位轉換器 (ADC) 來擷取將在數位領域中處理的真實類比訊號,並根據數位結果採取必要行動。每個 ADC 都指定了一個位元數,來表示其可以產生的各種數位等級。針對給定的恆定 ADC 輸入,由於一般訊號鏈會出現多項錯誤,ADC 的輸出並非恆定數位值。因此請務必考慮訊號鏈的有效位元數 (ENOB) 或無雜訊解析度,以便進一步比較,同時從擷取資料中盡可能取得資訊。更高精密度需要更高的 ENOB 及無雜訊解析度。
一般而言,系統的訊號雜訊比 (SNR)、總諧波失真 (THD) 和雜訊在 ENOB 計算中扮演重要角色。對現場傳送器或測試與測量應用等多種系統而言,DC 輸入訊號準確度與精準度極為重要。正因如此,雜訊規格成了最關鍵的因素。ADC 使用的電壓參考是訊號鏈中的重要元件,會影響精準度與準確度。
雖然透過過濾可以消除一些雜訊,但實際上您無法過濾掉低頻率下的雜訊。在電壓參考中,因所需要的電阻器電容器濾波器元件尺寸的緣故,在不會對訊號鏈性能造成重大影響的情況下,也無法過濾出閃爍雜訊 (從 0.1Hz 至 10Hz 的雜訊)。正是因此,雜訊幾乎總是存在於系統中。
除了電壓參考雜訊外,ADC 本身及 ADC 驅動器也會有雜訊。這些元件每一個都會對產生數位訊號的電路產生雜訊。圖 1 是此電路的簡易原理圖。
方程式 1 表示此電路的總雜訊如下:
在決定系統的 ENOB 時,必須知道您電路中的雜訊量。一般而言,低雜訊設計須選擇低雜訊裝置。
本文將著重於電壓參考選擇,以及其他有助於提升 ADC 性能的資料處理選項。
電壓參考針腳的重複取樣會造成電流瞬態出現,且可能只分離幾奈秒。然而,對 ADC 而言,外部參考必須在取樣相位結束時安定或充電,以避免產生較大的增益誤差。降低取樣速度可以解決此問題,但並非根本之道。通常 ADC 越精確,其參考輸入所需的電流消耗就越多。如果電壓參考沒有足夠的高頻寬,或輸出阻抗過高,將無法為 ADC 的參考輸入充電。這會造成電壓下降,而產生增益誤差和 ENOB 下修。
因此,有時必須在電壓參考之外建立高頻寬、低輸出阻抗緩衝器,才能增加 ADC 的 THD,並符合失真與 ENOB 的產品規格書規範。部分 ADC 配備內部電壓參考緩衝器,但並非全部都是如此。圖 2 顯示應在何處加上外部緩衝器來提高電路 THD。
ENOB 測量電路的 AC 特性如何影響 ADC 解析度。電路的雜訊與 THD 以「訊號雜訊比和失真」,即 SINAD 一詞來表示。SINAD 用單一數字來呈現這兩個 AC 特性,如 方程式 2 所示:
您可以從 方程式 2 看出,隨著 SNR 增加,SINAD 也會增加。因此存在的雜訊和失真越少,SINAD 就越好。有了 SINAD,您可利用 方程式 3 來輕鬆尋找 ADC 的 ENOB,尤其是因為:
再次檢視 方程式 1,降低電壓參考中的總雜訊會降低電路中的總雜訊,進而提高 SNR。SNR 增加,ENOB 也隨之增加。此外,在電壓參考輸出上加上高頻寬緩衝器也會減少 ADC 的 THD,而使 ENOB 增加。