ADC的动态范围精确度和分辨率

[导读]一个10位的ADC，其所能分辨的最小量化电平为参考电平(满量程)的2的10次方分之一。

分辨率

分辨率(Resolution)是指ADC能够分辨量化的最小信号的能力，用二进制位数表示。

比如：一个10位的ADC，其所能分辨的最小量化电平为参考电平(满量程)的2的10次方分之一。即分辨率越高，就可以将满量程里的电平分出更多份数，得到的结果就越精确，得到的数字信号再用DAC转换回去后就越接近原来输入的模拟值。

所以，对于给定的一个具体ADC器件，其分辨率值是固定的。

精度

精度(Precision)是指对于给定模拟输入，实际数字输出与理论预期数字输出之间的接近度(误差值是多少)。换而言之，转换器的精度决定了数字输出代码中有多少个比特表示有关输入信号的有用信息。

有些ADC器件的datasheet中，会注明精度值或精度范围。

对于给定的一个具体ADC器件，其精度值可能会受外界环境(温度、干扰等)的影响而变化。

ADC的动态范围精确度和分辨率

动态范围被定义为系统可测量到的最小和最大信号的比例。

最大信号可为峰间值，零到峰(Zero-to-Peak)值或均方根(RMS)满量程。其中任何一个都会给出不同值。例如，对于一个1V正弦波来说：峰间(满量程)值=2V 零到峰值=1V

RMS满量程=0.707×峰值振幅=0.707×1V=0.707V

最小信号通常为RMS噪声，这是在未应用信号时测量的信号的均方根值。测量得到的RMS噪声级别将取决于测量时使用的带宽。每当带宽翻倍，记录的噪声将增长1.41或3dB。

因此，一定要注意动态范围数字始终与某个带宽相关，而后者通常未被指定，这使记录的值变得没有意义。器件的信噪比(SNR)和动态范围多数时候被定义为同一个值，即：动态范围 =SNR=RMS满量程/RMS噪声并且经常使用dB作为单位，即动态范围(dB) = SNR(dB) = 20*Log10 (RMS满量程/RMS噪声)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。

为了确保系统满足所需的精度规范，深入了解不同的误差源非常重要。决定信号链精度的最关键因素之一是A/D转换器(ADC)，这是本文的重点。请记住，ADC的精度可以用绝对精度、相对精度和总未调整误差来表征。

一个偶尔会让年轻工程师感到困惑的常见问题是：精度与分辨率有什么关系?例如，我的12位ADC也是12位精度的吗?在之前关于微分非线性(DNL)误差规范的文章中，我们简要讨论了分辨率和精度表征ADC的两个不同方面。

ADC设计参数——分辨率

分辨率指定了ADC特性曲线中的步数。对于具有均匀步长的理想ADC，分辨率决定了使输出变化一个计数的模拟输入电压的最小变化。例如，具有12位分辨率的ADC可以在212中分辨出1个部分(4096中的1个部分)。换句话说，12位ADC可以检测小至满量程值0.0244%的电压。然而，这并不意味着转换误差(ADC输出的输入和模拟等效值之间的差)小于0.0244%。

分辨率主要是一个设计参数，而不是性能规格。它没有指定实际由ADC非线性、偏移和增益误差等非理想效应决定的转换误差。

ADC精度：精度低于分辨率时

在数据转换器的上下文中，通常用比特数来表示精度。例如，我们可以说这个ADC的精度为12位。这意味着转换误差小于满标度值除以212。换句话说，转换误差小于一个LSB(最低有效位)。

考虑到这一点，这可能不是表达性能准确性的准确方式，因为不清楚这种表征中实际包含了哪些误差源。然而，它似乎通常是指偏移、增益和积分非线性(INL)误差的组合效应。转换器的精度可能远低于其分辨率。

分辨率和精度—即Resolution和Accuracy。这是两个不同的参数，却经常被混用。并且ADC制造商在数据手册中定义ADC性能的方式也令人困惑，可能会让大家在应用开发中导致错误的推断。但事实上，分辨率并不能代表精确度，反之亦然。

分辨率和精度

分辨率

分辨率(Resolution)是指ADC能够分辨量化的最小信号的能力，用二进制位数表示。

所以，对于给定的一个具体ADC器件，其分辨率值是固定的。

精度

有些ADC器件的datasheet中，会注明精度值或精度范围。

对于给定的一个具体ADC器件，其精度值可能会受外界环境(温度、干扰等)的影响而变化。