模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)。輸入端輸入的模擬電壓，經(jīng)采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程的處理，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼輸出。

典型的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng) 采樣是利用模擬開關(guān)將連續(xù)變化的模擬量變成離散的數(shù)字量，由于經(jīng)采樣后形成的數(shù)字量寬度較窄，經(jīng)過保持電路可將窄脈沖展寬，形成梯形波。量化是將階梯形模擬信號(hào)中各個(gè)電壓值轉(zhuǎn)化為某個(gè)最小單位的整數(shù)倍，便于用數(shù)字量來表示。編碼是將量化的結(jié)果(即整數(shù)倍值)用二進(jìn)制數(shù)碼來表示。這個(gè)過程則實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。

01、分辨率與動(dòng)態(tài)范圍

ADC分辨率為用于表示模擬輸入信號(hào)的位數(shù)。為了更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)模擬信號(hào)，須提高分辨率，使用較高分辨率的ADC也降低了量化誤差。但成本就上去了。 動(dòng)態(tài)范圍(DR)定義為器件本底噪聲至其規(guī)定最大輸出電平之間的范圍，通常用dB表示。ADC的動(dòng)態(tài)范圍是指ADC能夠分辨的信號(hào)幅值范圍；ADC的分辨率位數(shù)(N)決定ADC的動(dòng)態(tài)范圍，代表ADC可測(cè)量的輸入信號(hào)等級(jí)范圍，DR可定義為：

由于信號(hào)在給定時(shí)間視窗內(nèi)的RMS幅值取決于信號(hào)幅值在該時(shí)間視窗內(nèi)如何變化，因此ADC的DR變化取決于輸入信號(hào)特征。對(duì)于其滿量程范圍(FSR)內(nèi)的恒定DC輸入而言，理想的N位ADC可分別測(cè)量FSR和FSR/2N的最大及最小RMS幅值。因此，ADC的DR為：

對(duì)于正弦波信號(hào)輸入而言，正弦波輸入信號(hào)的最小可測(cè)量RMS幅值受量化誤差的限制，正弦波輸入信號(hào)的理想ADC的DR是：DR=6.02N+1.76dB假設(shè)ADC的動(dòng)態(tài)范圍為60dB，則其可分辨的信號(hào)幅值為x至1000x。通常動(dòng)態(tài)范圍非常重要，因?yàn)槿绻盘?hào)太大，則會(huì)造成ADC輸入過量程；如果信號(hào)太小，則會(huì)被淹沒在轉(zhuǎn)換器的量化噪聲中。

02、信噪比與信噪失真比

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信噪比(SNR)是指輸入信號(hào)功率與噪聲功率的比值，這里用來量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的噪聲，SNR也能使用信號(hào)幅度和噪聲幅度的RMS值來衡量，以dB為單位。

在滿刻度正弦波輸入的條件下，ADC的理論最高SNR從量化噪聲推導(dǎo)而得，表達(dá)式為：SNR=6.02N+1.76dB這里N是理想ADC的位數(shù)，對(duì)于理想的N位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(不考慮諧波失真)的正弦波輸入，整個(gè)奈奎斯特帶寬上能達(dá)到的最佳SNR。 但對(duì)于實(shí)際的ADC，除了量化噪聲，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的SNR也會(huì)受到自身熱噪聲和采樣時(shí)鐘相位噪聲的限制。噪聲來自主要有三個(gè)源頭： ? 量化噪聲 ? ADC熱噪聲 ? 抖動(dòng)或采樣不確定噪聲 信號(hào)與噪聲失真比(Signal to Noise And Distortion，SINAD)指輸入正弦波時(shí)，RMS信號(hào)功率與總噪聲功率和輸出端(不含DC)的所有其他頻率分量功率加上所有其他諧波分量功率的RMS和的比值。 SNDR是用于衡量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它包含奈奎斯特帶寬上的所有噪聲和雜散。SNDR的表達(dá)式為：

其中，信號(hào)功率是有用信號(hào)、噪聲和失真分量的平均功率。SNDR的單位是分貝(dB)，SNDR將所有不良頻率分量與輸入頻率做比較，反映的是輸入信號(hào)的質(zhì)量，從總體上衡量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能。SNDR越大，輸入功率中的噪聲和雜散比率越小

03、有效位數(shù)（ENOB）

有效位數(shù) (ENOB) 是用于衡量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相對(duì)于輸入信號(hào)在奈奎斯特帶寬上的轉(zhuǎn)換質(zhì)量(以位為單位)的參數(shù)。 這里的ENOB假定轉(zhuǎn)換器是擁有理論上完美性能，不發(fā)生失真，唯一產(chǎn)生的噪聲是量化噪聲，所以SNR 等于SNDR，即SNR(dBFS)= 6.02N+1.76dB。因此，ENOB也是SNDR的另一種表達(dá)方式：

然而，對(duì)于非理想數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言，SNDR和ENOB會(huì)發(fā)生劣化，包含噪聲和其他缺陷，例如器件熱噪聲、輸出代碼缺失、諧波、AC/DC非線性、增益/偏移誤差和孔徑時(shí)鐘相噪或抖動(dòng)。外部偏置基準(zhǔn)源和電源軌上的噪聲也會(huì)降低ENOB。 總諧波失真（THD）測(cè)量信號(hào)的失真成分，用相對(duì)于基波的分貝（dB）表示。對(duì)于ADC，總諧波失真（THD）是所選輸入信號(hào)諧波的RMS之和與基波之比。測(cè)量時(shí)，只有在奈奎斯特限值之內(nèi)的諧波被包含在內(nèi)。 類似于THD因非線性原因隨輸入頻率增加而劣化，ENOB值也會(huì)隨頻率加大而劣化。ENOB來自于SNDR，而SNDR又與THD以及SNR相關(guān)聯(lián)。要了解數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確ENOB，需閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)中的詳細(xì)規(guī)格和規(guī)定的條件。 大部分模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器IC廠商一般傾向于推廣理想條件下的ENOB，尤其是數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)題所載的ENOB值。然而，大量系統(tǒng)工程師和采購(gòu)經(jīng)理仍然好奇的是，為什么測(cè)量出的ENOB值和數(shù)據(jù)手冊(cè)所載的理想值不同？ 實(shí)際使用中，由于ADC自身存在噪聲和誤差，其輸出不僅有量化噪聲，還有失真引起的高次諧波，因此從未能達(dá)到這一SNR值。計(jì)算ADC的有效N：ENOB = （SNR–1.76）/6.02 dB。假設(shè)器件是一款12位ADC，ENOB可能僅為10bit。但需要注意的是這并不表示把ADC的后兩位刪掉就可以當(dāng)成一個(gè)理想的10bit ADC來使用，這里ENOB的意思是12bit非理想ADC的SNDR與理想的10bit ADC的SNR相等。

有關(guān)ENOB的一些理解要點(diǎn)：

? 一般數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)題顯示的“位數(shù)”（12位或14位）指的是數(shù)字位或電壓分辨率。這與ENOB無關(guān)。

? ENOB主要與噪聲、非線性和輸入頻率存在函數(shù)關(guān)系。

? ENOB會(huì)因多種外部不確定性因素（例如時(shí)鐘源、電源等）而劣化。

? ENOB是在整個(gè)奈奎斯特帶寬上（DC到fs/2）計(jì)算的。

審核編輯：郭婷