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但是它们也可以收集DC型信号或低速信号

时间:2014/11/21 10:39:02  作者:办公室  来源:未知  查看:

  分析总结

  尽管通常在AC规范(例如SNR)中描述了采样频率为数百MHz或更高的高速转换器(例如流水线转换器), 新浪网 SFDR, 和ENOB,但是它们也可以收集DC型信号或低速信号。因此,了解如何根据数据手册中列出的交流规范来推断高速转换器的低频性能非常有用。

  然而,随着信号速率的增加,或者对于涉及带宽的交流信号,转换器的SNR和ENOB将取决于频率,在高频输入下会掉落。

  Σ-δADC专为精密测量而设计,分辨率在16到24位之间,数据表通常列出了规格,例如输入噪声, 有效分辨率 和无噪声的代码分辨率。用于描述其直流动态范围。

  通常,输入的噪声可以表示为均方根值,单位通常是LSB rms。涉及此类数量的规格通常与高分辨率精密转换器有关。原因在于较低的采样率和/或收集的DC或低速信号。

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  记得,对于每一个缺失的点,动态范围降低了6 dB。结果是,每次得到1位,系统灵敏度将增加两次。因此,前端要求的精度指标远高于用于采样信号的转换器的精度。

  因此,代入方程式16,ENOB之间的关系, 可以计算AC型信号和DC型(低速)信号。要么,

  其他系统错误

  图2。量化噪声与时间之间的关系。

  请注意SNR和ENOB的计算方法:使用数据表中的SNR数据计算ENOB时,设计者必须了解,这些数据可能包括:可能不包括谐波。如果确实包含失真,您可以使用SINAD,后者定义为SNR和失真之和,有时称为THD(总谐波失真)。

  要了解低速规格之间的关系, DC型信号和高速AC型信号,它确实需要一些数学知识。所以,请打开大学使用的数学书,转到背面的识别表。下一个,让我们看一下如何理解低频输入信噪比之间的关系, ENOB, 有效分辨率 和无噪声的代码分辨率。

  似乎性能没有太大变化。为什么?因为前端太吵了无法达到0。1%的精度,尽管转换器本身的性能比规格要好得多。需要更改前端设计,为了达到要求的性能。这种情况显示在下面的图6中。

  我们选择一个ADC,SNR /动态范围为70 dB,要么,其ENOB为11。34,看看是否可行。

  假设FSR = ADC满量程,n =指输入噪声,然后,(均方根)有效分辨率定义如下:

  以下是其计算方法,所用ADC的SNR为60 dB。

  为了解决这个问题,也许应该选择一种新型的转换器,为了保持60 dB或0。1%的系统精度。

  假设在这个例子中,ADC的满量程输入为10 V,分辨率为12位。如果转换器是理想的转换器,可以确定其动态范围或SNR为74 dB。

  其实,有两种方法可以描述任何系统的整体精度:直流和交流。DC精度表示在整个给定信号链中显示的“偏差”的累积误差,这种方法有时称为“最坏情况”分析。交流精度表示整个信号链中的累积噪声误差项,该指示器确定系统的信噪比(SNR)。然后将这些错误加起来结果是, SNR降低并为整个设计产生更多实际有效位数(ENOB)。其实,获得这两个参数可以告诉用户,在静态和动态信号下系统的准确性。

  为了设计这样的系统,有必要考虑什么类型的错误会影响传感器的原始信号,还要考虑它们在信号链中的位置。想像,最终对信号进行采样时,转换器将在最后看到什么。

  总体情况

  许多转换器用户似乎在互换使用精度和分辨率。但是这种方法是错误的。精度和分辨率这两个术语不相等,但这很重要所以,它们不应互换使用。您可以将准确性和分辨率视为表亲,但不是双胞胎。

  尽管ADC固有的差分非线性(DNL)可能会导致其噪声分布与理想的高斯分布略有偏离,但这至少是大致高斯的。如果代码分布具有大而独特的峰谷,它表明存在诸如印刷电路板布局不良, 接地不良, 以及不正确的电源去耦。

  图片3。简单的数据采集信号链。

  这些折衷方案应根据特定的设计和应用进行评估。例如,增加对具有较小公差和较低漂移的电阻器的投资可能更有价值。而不是投资购买功能更强大的ADC。

  为了进行交流分析,然后使用满量程正弦波输入。另请参见上面的边栏讨论,其中:

  图1。转换器参考输入噪声或ADC“接地输入”直方图。

  量化噪声大致为高斯,均匀地分布在目标奈奎斯特带宽上,范围通常是DC至Fs / 2。假定量化噪声与输入信号无关。现在可以使用满量程输入正弦波来计算理论信噪比:

  最后,请记住,简单地提高信号链中转换器的性能或分辨率并不能提高测量精度。如果前端噪声仍然相同,精度不会提高。仅使这些噪声或误差测量达到更好的程度,最终,这可能会使设计师的老板付出更多。

  低频信噪比之间的关系, ENOB, 有效分辨率 和无噪声的代码分辨率。

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  由于电阻噪声和“ kT / C”噪声,所有有源器件(例如ADC内部电路)都会产生一定量的均方根(RMS)噪声。即使是直流输入信号这种声音也存在,这是转换器传递函数中代码转换噪声的原因。

  信噪比= 6。02(12)+ 1。76 = 74分贝(19)

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  以上我们了解了转换器错误,下一个,我们将讨论信号链的其余部分,在系统级别了解这些概念。图3显示了简单数据采集信号链的示例。

  逐次逼近(SAR)转换器涵盖了广泛的采样率, 分辨率和应用。他们通常会有输入参考噪声,但是对于交流输入信号,还有一些规格,例如SNR, ENOB, SFDR和THD。

  简而言之,对于直流低速信号,系统ENOB大约比转换器的无噪声代码分辨率大1位(精确为0。92),它比转换器的有效分辨率小2位。

  

  更常用的术语是输入参考噪声。当将直流输入施加到转换器时,输入参考噪声通常由几个输出采样的直方图来表征。大多数高速或高分辨率ADC的输出是一系列以DC输入的标称值为中心的代码。

  E.G,假设万用表可以使用6位数字表示测量值。那么万用表的分辨率是6位,但,如果在两次测量之间最后一位或两位数出现波动,分辨率会受到影响,测量精度也会受到影响。系统或信号链中的错误总是会累积,扭曲原始测量值。因此,了解系统的动态范围也很重要,为了测量要设计的信号链的精度和分辨率。

  10 V满量程的动态范围, 之前选择的12位ADC为60 dB,可以达到0。1%的准确性。这表示,总累积误差需要小于10 mV或10 V /(1060/20),达到0。精度要求为1%。

  如上图3所示,该信号链的设计可能非常复杂,超出了本文的范围。但是,可以简单总结一下与此信号链相关的不准确性/错误,如表2所示。

  使用转换器进行设计时,必须记住为了定义系统精度,该方程式分为两部分。一是上述转换器本身,第二个是用于在转换器之前调节信号的所有组件。

  由于噪声大致是高斯噪声,因此, 可以计算出直方图的标准偏差σ它对应于有效输入均方根噪声,表示为LSB均方根。

  在图中,连接到传感器的传感器的交流信号首先通过两级前置放大器放大,然后,到达要采样的ADC输入。这里的目的是设计这样的系统,以便可以准确表示传感器信号,精度保持在传感器原始值的±0。1%以内。好,似乎很有挑战性?

  注意,20 mV噪声会降低系统灵敏度1位或6 dB,将系统性能从所需的60 dB降低到54 dB。

  当理想的转换器将信号数字化时,最大误差为±? LSB,如理想的N位ADC的传递函数所示。对于跨越几个LSB的任何交流信号,量化误差可以通过峰峰值为q(LSB的权重)的不相关的锯齿波形来近似。可以从另一个角度看这个近似值,那是, 实际的量化误差出现在±? q范围内任何点的概率均相等。

  为了证明这一点,我们使用与图3相同的前端设计。假设,前端本身的误差为20 mV p-p; 那是, 累积的噪声如图5所示。系统精度仍定义为0。1%相同的12位转换器其精度可以满足定义的系统规格吗?答案是不,原因如下。

  另一方面,通常用总谐波失真(THD)和总谐波失真加噪声(THD + N)来描述用于音频应用的较高频率σ-δADC。

  ENOB =(SNR – 1。76)/ 6。02 =(60 – 1。76)/ 6。02 = 9。67位(20)

  让我们以万用表为例。如果位数为6,然后其动态范围应为120 dB(或6×20 dB /十倍)。但应注意,最后两个仍在摇摆。因此,真正的动态范围仅为80 dB。这意味着,如果设计人员想要测量1μV(或0。000001 V)电压,然后,测量值的误差可能高达100μV,因为实际设备的精度仅为100μV(或0。0001 V或0。0001XX V,其中,XX表示挥杆的最后两位数字)。

  图6。 前端噪声与12位70 dB ADC噪声的比较。

  侧边栏讨论:SNR方程

  图7。 与12位70 dB ADC噪声相比,前端噪声低。

  图4。 记得,20 dB /十倍频或3×20 = 60 dB

  注意,并非所有组件都是一样的!创建涵盖所有这些错误的电子表是插入不同信号链组件的简便方法,可以更快地评估和决定组件的权衡,如表2所示。在权衡不同组件的成本时,特别是。

  记得,ADC可以“接受”各种信号(通常分为DC或AC),并以数字方式量化信号。了解系统中的ADC错误意味着:设计人员必须了解要采样的信号的类型。因此,信号类型取决于如何定义转换器误差对整个系统的影响。

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  信号链中转换器的不准确性

  然而,数据表规格只会显示,转换器的SNR为60 dB或9。67ENOB。

  锯齿波误差波形产生的谐波远远超过奈奎斯特带宽或直流到Fs / 2,其中,Fs =转换器采样率。然而,所有这些谐波均折回(混叠)至奈奎斯特带宽,并相加,产生等于q /√12的均方根噪声。

  了解所有组件错误及其对信号链的影响非常重要。

  表1列出了一些简单的等效转换,供确定目标系统性能时参考。

  任何信号链中都有很多错误,更不用说电缆和其他外部影响,这些因素也可能在很大程度上决定此类系统的设计。不管累积的错误最终,它们将在转换器端与信号一起采样,假设误差不会大到足以屏蔽采样信号!

  我们来谈谈精度误差之间的关系, 分辨率和动态范围优先。这些指示器为选择特定应用的转换器提供了不同的参考。这些应用需要一定的测量精度。

  图2更详细地显示了量化误差与时间之间的关系。简单的锯齿波形可以提供足够准确的分析模型。锯齿误差的计算公式如下:

  因此,必须更换前端组件,为了将前端误差降低到9 mV p-p,如图7所示所用转换器的信噪比为70 dB。

  如果要使用14位, 74 dB ADC,如图8所示前端的要求甚至可以进一步放宽。但是这种权衡可能导致成本增加。

  精度就是错误,换一种说法, 测量值与真实值的偏差。精度误差可以称为灵敏度误差。分辨率是测量值的表示形式或显示形式。即使系统的分辨率为12位,这并不意味着它可以测量12位精度的值。

  您知道为什么最后一个配置示例不起作用吗?设计人员不能简单地选择一个更好的ADC来改善系统的整体性能。

  通常以两种方式定义这些转换器误差:无噪声代码分辨率(代表DC型信号)和“信噪比方程式”(代表AC型信号)。

  注意上面信号链示例中建议的所有前端组件。由于转换器精度达到或超过系统定义的系统精度规格,所以,还有更多不准确的地方需要理解,即前端, 电源供应, 任何其他外部影响或环境。

  为了衡量其价值,ADC的输入接地或连接至深度去耦的电压源,然后收集大量输出样本并将其表示为直方图(有时称为“地面输入”直方图)-请参见图1。


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