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。
雖然 ENOB 大致上能代表 ADC 輸出的解析度,但它並不考慮 DC 性能。為了解來自 DC 輸入的雜訊對 ADC 解析度的影響,建議您找出電路的無雜訊解析度。使用 方程式 4 時,您可以觀察 ADC 數位輸出最低有效位元 (LSB) 數量中的程式碼散播,來計算無雜訊解析度,同時測量 DC 訊號:
為強調參考雜訊對系統精密性能的影響,我和同事使用 REF70 (具有 0.23ppmp-p 閃爍雜訊) 和 REF50 (具有 3ppmp-p 閃爍雜訊),針對指定訊號鏈進行 DC 程式碼散播測試。REF50 和 REF70 都是搭配高精度 ADC 使用的高精度電壓參考,並具有不同的 DC 特性。不過,此演練的目標只是比較這些裝置在訊號鏈電路中的雜訊性能。
設計使用電壓位準接近 ADS8900B 20 位元 SAR ADC 全刻度範圍的穩定 DC 來源電池,以 20kSPS 進行資料擷取。以增益 = 1 使用 OPA2320 來驅動 ADS8900B 輸入。此 ADC 整合了參考緩衝器驅動器,因此不需要選用的參考緩衝器。在電壓參考的輸出上放置簡易電阻器電容器低通濾波器,可進一步降低電壓參考的雜訊。圖 3 顯示這些測試使用的設定。
電壓參考旁的訊號鏈元件也有閃爍雜訊,將成為最終程式碼散播的一部分。因為訊號鏈只在不同參考情況下會維持不變,所以對性能數值的影響一定僅來自電壓參考雜訊。
高精度系統運用資料處理技術來改善精確度並提升整體解析度。在此實驗中,我們透過把輸出乘以 16,將來自 ADS8900B 的 20 位元原始資料轉換為 24 位元長度。不同的有限脈衝反應 (FIR) 濾波器處理了轉換的 24 位元資料。在輸入值有變化的情況下,FIR 濾波器易於實作,並且穩定速度更快。輸出資料速率維持在 20kSPS,但延遲則由濾波器特性定義。
在 24 位元位準下,REF50 和 REF70 的雜訊 (以及精準度) 幾乎類似,整體雜訊受訊號鏈及其高頻寬雜訊影響。平均程式碼值的差異是因為參考電壓差,一種可透過校正消除的準確度規格。這些結果可在圖 4 和圖 5 中看到。
我們使用 Octave 工具以三種不同的數位濾波器對原始資料進行後處理:
圖 6 顯示這些濾波器的濾波器反應。
圖 7、圖 8 和 圖 9 說明數位過濾器對程式碼散播的影響。
您可以使用 方程式 4 輕鬆比較 REF50 和 REF70 與各項濾波器數據對 ADC 解析度的影響。這些測試的結果總結於 表 1。
數位濾波器類型 | 角頻率 (Hz) | 分接頭數 | DC 程式碼散播 (LSB) | 無雜訊解析度 (位元) | DC 程式碼散播最低有效位元 | 無雜訊解析度 (位元) |
---|---|---|---|---|---|---|
24 位元的 REF70 | 24 位元的 REF50 | |||||
無濾波器 | 不適用 | 0 | 448 | 15.1 | 496 | 15.0 |
1,024 分接頭移動平均 | 8 | 1,024 | 35 | 18.8 | 118 | 17.1 |
第 1 FIR | 17 | 801 | 38 | 18.7 | 121 | 17.0 |
第 2 FIR | 36 | 455 | 49 | 18.3 | 135 | 16.9 |
這項比較顯示,在最高精度應用中,REF70 計算無雜訊解析度的性能比 REF50 更佳,這主要是因為裝置在閃爍雜訊位準上有差異。根據使用 REF70 時減少程式碼散播的情況,可知其超低雜訊在高精度應用中能提供近 2 位元解析度的優勢。此外可以發現,使用低雜訊參考既能用快速 455 分接頭濾波器,同時仍維持高無雜訊解析度。低電壓參考閃爍雜訊會降低程式碼散播,進而達到更高的無雜訊解析度。如同 ENOB,雜訊是為低無雜訊解析度設計訊號鏈時的重要考量事項。