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高速模數轉換器信號鏈內部導致不精確性誤差的原因分析


  來源: 電子發燒友 時間:2018-10-11 編輯:思揚
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逐次逼近型(SAR)轉換器涵蓋了廣泛的采樣速率、分辨率和應用。它們通常有折合到輸入端噪聲,但對于交流輸入信號,則還有SNR、ENOB、SFDR和THD等規格。

雖然采樣頻率為數百MHz或以上的高速轉換器(如流水線式轉換器)通常以SNR、SINAD、SFDR、ENOB等交流規格來描述,但它們也能采集直流類信號或低速信號。因此,了解如何從數據手冊上列出的交流規格推算出高速轉換器的低頻性能是非常有用的。


側邊欄討論:SNR等式

理想轉換器對信號進行數字化時,最大誤差為±? LSB,如一個理想N位ADC的傳遞函數所示。對于任何橫跨數個LSB的交流信號,其量化誤差可以通過一個峰峰值幅度為q(一個LSB的權重)的非相關鋸齒波形來近似計算。對該近似法還可以從另一個角度來看待,即實際量化誤差發生在±? q范圍內任意一點的概率相等。

圖2更詳細地顯示了量化誤差與時間的關系。一個簡單的鋸齒波形就能提供足夠準確的分析模型。鋸齒誤差的計算公式如下:



圖2.量化噪聲與時間的關系。


鋸齒誤差波形產生的諧波遠遠超過奈奎斯特帶寬或直流至Fs/2,其中,Fs = 轉換器采樣速率。然而,所有這些諧波都會折回(混疊)到奈奎斯特帶寬并相加,產生等于q/√12的均方根噪聲。

量化噪聲大致呈高斯分布,均勻分布于目標奈奎斯特帶寬上,其范圍通常為直流至Fs/2。這里假設量化噪聲與輸入信號不相關。理論信噪比現在可以通過一個滿量程輸入正弦波來計算:




要理解低速、直流類信號與高速交流類信號規格量之間的關系,確實需要一些數學知識。所以,請打開大學里用的數學書,翻到后面的標識表。接下來,我們來看看如何理解低頻輸入SNR、ENOB、有效分辨率和無噪聲代碼分辨率之間的關系。

假設FSR = ADC滿量程,n = 折合到輸入端噪聲,則(均方根)有效分辨率定義如下:




對于交流分析,則要使用滿量程正弦波輸入。另見上面的側邊欄討論,其中:




因此,代入等式16,就可推算出ENOB、交流類信號和直流類(低速)信號之間的關系。或,




總之,對于直流低速信號,系統ENOB約比轉換器的無噪聲代碼分辨率大1位(確切為0.92位),比轉換器的有效分辨率小2位。

然而,隨著信號速率的加快,或者對于涉及帶寬的交流類信號,轉換器的SNR和ENOB會變得與頻率有關,并且在高頻輸入下會下降。


信號鏈中的轉換器不精確性

關鍵詞:轉換器 信號 測量    瀏覽量:4752

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