ADC的ENOB(有效位数)计算公式的推导,以及其他相关参数的介绍

ADC的ENOB(有效位数)计算公式的推导,以及其他相关参数的介绍ADC 的有效位数的计算公式的推导 信号比等相关信号的定义 由此衍生的其他参数的探索 如 ADC 的直流参数 超采样等

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对于ENOB的疑问

下文介绍了我对于这个公式的推导,以及ADC其他参数所代表含义发分析。

AC参数专业名词的解释

在分享这个式子之前我们先来对一些专有名词的定义进行一下总结(我一开始因为名称混淆迷糊了好久,必须要清楚各个名称的意思才能进行后面的推导)

参考文献:

《Analog Engineer’s Pocket Reference》

一篇TI的技术文章

《揭开一个公式(SNR = 6.02N + 1.76dB)的神秘面纱, 以及为什么我们要予以关注》

SNR-信号噪声功率比

均方根信号与均方根噪声的比值

R M S N o i s e RMS\quad Noise RMSNoise 是 噪声信号的均方根

P s i g n a l P_{signal} Psignal 是输入信号功率, P n o i s e P_{noise} Pnoise 是噪声功率(不包括任何谐波以及直流成分)

上面两式仅仅只是形式不同,在电路信号分析中是相互等效的(信噪比在声学中也有使用)

THD-总谐波失真

G 0 G_0 G0 是基波, G n G_n Gn 是第n次谐波

需要注意的是,THD中输入信号做分母

SINAD-信号对噪声和失真的比值

从公式中可以看出,SINADSNRTHD的结合

各个AC参数的推导与关联

从DR开始计算

DR(ADC 的动态范围)其代表 ADC 可测量的输入信号等级范围,通俗来说就是最大可测量最小可测量,通常以 [dB] 为单位。

m i n R M S a m p l i t u d e min \quad RMS \quad amplitude minRMSamplitude 意为:最小均方根幅值

若输入信号为直流

直流信号的均方根幅值就是它本身的电压

F S R FSR FSR 是ADC最大量程

若输入信号为正弦信号
D R [ d B ] = 20 × l o g ( F S R / 2 2 ( F S R 2 N ) / 2 3 ) = 20 l o g 2 10 × N + 20 × l o g ( 6 2 ) ≈ 6.02 N + 1.76 \begin{aligned} DR[dB]&=20 \times log(\frac {FSR/2\sqrt2}{(\frac{FSR}{2^N})/ 2\sqrt3}) \\ &=\frac {20}{log{_2}10}\times N\quad + \quad 20 \times log(\frac{\sqrt6}{2}) \\ &\approx6.02N + 1.76 \end{aligned} DR[dB]=20×log((2NFSR)/23
FSR/22
)
=log21020×N+20×log(26
)
6.02N+1.76

这里引出几个问题:

最大均方根幅值为什么是 F S R / 2 2 FSR/2\sqrt2 FSR/22
呢?
当输入信号的峰峰值为FSR时,输入信号的均方根最大,所以为上式

最小均方根幅值为什么是 ( F S R 2 N ) / 2 3 (\frac{FSR}{2^N})/ 2\sqrt3 (2NFSR)/23
呢?
这个就要涉及到ADC的另一个参数 量化误差(Quantization error)

量化误差是什么

假如有一个8bit ADC,可分辨出256种电平,输入范围是2.56V,1LSB即为10mV。当输入信号为1.005V时,受分辨率限制,ADC的测量值和实际值之间一定存在误差,这个误差就是量化误差。用专业一点的化来说:“量化误差是在模拟到数字的过程中引入的误差”

ADC的量化误差为 1 2 L S B \frac{1}{2}LSB 21LSB ,如下图。还是用上面的 例子来说明,
0 ~ 5mV会数字化成0x00,表示0mV;
5 ~ 15mV会数字化成0x01,表示10mV;
15 ~ 25mV会数字化成0x02,表示20mV,以此类推,最大量化误差都为5mV。


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因为如果没有 1 2 L S B \frac{1}{2}LSB 21LSB 偏差,最大量化误差都为10mV(你可以自己去算一下)。
引入偏差是为了减小量化误差。

量化误差的均方根

仅仅介绍量化误差还不够,这里再解释一个概念:量化误差的均方根

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这个量化误差的均方根就是这个三角波的均方根 L S B / 12 LSB / \sqrt{12} LSB/12
,也就是 ( F S R 2 N ) / 2 3 (\frac{FSR}{2^N})/ 2\sqrt3 (2NFSR)/23

这样就可以解释 :最小均方根幅值为什么是 ( F S R 2 N ) / 2 3 (\frac{FSR}{2^N})/ 2\sqrt3 (2NFSR)/23

DR与SINAD

通过前面对于 D R DR DR 的分析可以得出: D R DR DR 可以衡量 在输入交流信号的情况下,ADC的最大测量精度。从另一个角度来看,这是一种特殊的“信纳比”,它的“信”是最大可以接收的信号;它的“纳”是理论上一定存在,无法消除的误差。

实际上, D R DR DR S I N A D SINAD SINAD 确实有着千丝万缕的联系。
S I N A D = 6.02 N ” + 1.76 SINAD={6.02 N^”}+1.76 SINAD=6.02N+1.76
上面的式子中将 S I N A D SINAD SINAD 作为实际误差输入信号的比来代替 D R DR DR 公式中的量化误差最大输入范围,或者说,是用 D R DR DR 的表达形式来表达 S I N A D SINAD SINAD

在实际使用中,ADC前面几位(数值大的几位)比较稳定,而后面几位(数值较小的位)会因为噪声而导致数值一直跳变,不能真实反映输入信号的电压值。

这也就是上式中我用 N ” N^” N 而不是 N N N 。这里的 N ” N^” N 就是前面还稳定的,可以准确表示电压值的几位,也就是我们常说的 E N O B ENOB ENOB (有效位数)。

将上面的式子变换一下形式,我们就可以得到开头的公式。至此,有效位数的推导就完成了

下图是TI的一本技术手册里的推导过程,更加简洁,但对于初学者也更加难以理解

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DC参数专有名词的解释

在DC信号下有另一套参数

P e a k t o P e a k N o i s e i n L S B = [ P e a k t o P e a k N o i s e / L S B ] PeaktoPeakNoiseinLSB = [PeaktoPeakNoise/LSB] PeaktoPeakNoiseinLSB=[PeaktoPeakNoise/LSB] 也就是噪声峰峰值除分辨率再向上取整

P e a k t o P e a k N o i s e i n L S B ≈ 6.6 × r m s N o i s e i n L S B PeaktoPeakNoiseinLSB \approx 6.6 \times rmsNoiseinLSB PeaktoPeakNoiseinLSB6.6×rmsNoiseinLSB

至于为什么要乘6.6呢?这个和噪声的的分布概率有关。噪声虽然没有确切的波形,但在纵轴上成正态分布,通过概率论的知识计算可以得到这个6.6 (这个推导在很多地方都能查到,比如ADI官网,还有书上也有记载,像是《你好放大器》)

过采样

等待施工

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