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  标题:如何选择高速A/D转换器
杨工 
团长
等级: 总版主
文章:27
积分:788
     楼主
无论是摄像机和有线电视机顶盒还是扫描仪和复印机,A/D转换器(ADC)都是这些现代电子设备中的关键元件。它们是模拟信号和数字处理之间的接口,所以常常决定着系统的性能。

分辨率和速度---- 高速A/D转换器首先可以用两个参数来描述:分辨率和速度。分辨率以位(bit)来表示,n位A/D转换器将模拟信号分为2n个级,产生2n个单独的数字输出编码。A/D转换器所需要的分辨率取决于系统的信噪比(SNR)和/或动态范围要求。
---- 高速A/D转换器的速度通常以每秒几百万次采样(Msamples/s)来表示。这就是采样速率,或模拟信号可以在什么样的速率下连续转换为数字形式。对大多数应用来说,采样速率应是A/D转换器输入信号最高频率的3~4倍。

---- 例如,如果系统的SNR要求是45dB,那么最小A/D转换器分辨率是8位,如表1所示。如果系统内有一两个放大器(或其他电路),那么8位A/D转换器也许不够,这取决于其他器件的噪音特性。

---- SNR是以分贝表示的比率,它是输入信号的有效值与所有频率小于采样频率一半的其他频谱成份(不包括谐波或直流信号)的总有效值之比。

---- A/D转换器可获得的理论上最佳SNR是A/D转换器分辨率的函数,定义为 SNR(dB)=6.02n+1.76

---- 这里n是A/D转换器的位数(分辨率)。

---- 请注意这是具有理想线性度和无外部噪音的“完美”A/D转换器可得到的理论上的最佳SNR值。实际的A/D转换器的SNR值可能会比这个公式的结果低2到10分贝,或者更多,这是由实际设计方案的非线性度和转换过程当中电路开关期间产生的片上噪音造成的。

---- 由于选择的电路结构包括pc板布局等问题,最终电路中的实际A/D转换器性能往往比这更低。在真实的A/D转换器中,SNR随着信号频率的升高而降低,因为转换器内部的某些误差机理与频率有关。

---- 每个器件的SNR象并联的电阻一样,系统的总体SNR要低于具有最低SNR的器件的SNR。例如,假设以每秒20M次的采样速率对4.43MHz的信号进行采样时最小系统SNR应当是45dB,一个4.43MHz时具有52dB SNR的放大器在A/D转换器之前,那么所需的A/D转换器就得有46dB或更好的SNR才能获得45dB的总体SNR。系统SNR可以通过下列公式确定:系统SNR=

---- 因为8位转换器的理论上最佳SNR接近50dB,所以乍一看似乎一个8位的、采样速率每秒20M次的转换器就可以胜任。但是,大致看一下一些8位、每秒20M次的转换器就会发现,大多转换器都不够好。那么许多设计者就会推测,可能需要高精度的A/D转换器。然而,某些A/D转换器(如国家半导体公司生产品ADC1175)就可以提供所需的SNR,并没有必要去寻找更昂贵的转换器就可以获得所需的系统SNR。

误差参数---- 然而速度、分辨率和SNR并非一切。分辨率确实表示了A/D转换器可以产生的数字输出编码的数量,但它并未示出这些编码是否真的对应正确的输入电压。诸如微分非线性度(Differential Nonlinearity-DNL)、积分非线性度(Integral Nonlinearity-INL)、偏差和满标度误差等误差参数描述了输出编码响应输入电压的精确程度(见表2)。
---- DNL相当于转换过程中某一步骤的最大误差。当模拟输入电压升高时,每当模拟输入升高VFS/2n,输出编码应升高1LSB,这里VFS是满标度输入电压范围,它通常等于所加的基准电压。编码转换间距应该正好是1LS(VFS/2n)。

---- 如果编码转换发生时输入模拟电压不是比上一次转换正好大1LSB,那么就产生了DNL误差。高速A/D转换器的DNL数据表限幅一般为±0.2LSB到-1LSB和+2LSB。

---- 因为人眼对亮度变化十分敏感,所以DNL对显示设备或成像应用中所使用的A/D转换器非常重要。例如,如果文档扫描器中使用的A/D转换器的DNL值太大,那么带有渐变灰色阴影的图片就会出现一些明显的灰色条带。在成像应用中DNL是高速A/D转换器最重要的参数之一。

---- INL表明转换器的转换功能会偏离零标度和满标度值之间的理想直线有多远。INL是贯穿整个转换功能的DNL误差的总和。具有高INL的A/D转换器的转换功能总曲率更高。高速A/D转换器的INL实际值范围大约是±0.2到±4LSB。

---- 诸如SNR、THD(Total Harmonic Distortion,总谐波失真)、SINAD或S/(N+D)(信号与噪音加失真比)和ENOB(Effective Number of Bits,有效位数)等动态参数表示当A/D转换器的输入是由正弦波驱动时所产生的频域误差。THD是以分贝表示的输出信号的头几个谐波成份的有效值之和与输出端出现的输入信号的幅度之比。所选的谐波的数量由生产厂家而定,典型的是6个。

---- 在比较不同厂家生产的A/D转换器(见表3)时,要注意他们计算THD时所取的谐波个数。如果取的谐波数太少(少于5或6个),那么A/D转换器数据表中就会表现出人为的THD乐观值。通信应用中过大的THD会导致可能干扰其他通信通道的多余信号。

---- SINAD是以分贝表示的输出端出现的输入信号有效值与输出信号当中频率小于采样频率一半(包括谐波但不包括直流)的所有其他频谱成份的有效值之比。SIND可以SNR和THD值计算出来:

---- 这里的SNR和THD在前面讲过。

---- ENOB是从SINAD推导出来的。理想A/D转换器的SINAD可以从该A/D转换器的分辨率计算出来,ENOB也以从真实A/D转换器的SINAD测量值计算出来。

---- ENOB表示,如果一个理想转换器具有候选的真实转换器的SINAD,那么它所应有的分辨率。换句话说,ENOB为7.0的A/D转换器具有与完美7.0位分辨率A/D转换器相同的SINAD。ENOB可以用分数位表示:

---- 这里SINAD以分贝表示,ENOB以位来表示。

---- 除量化噪音外绝对无失真和噪音的理想8位A/D转换器的ENOB是8。然而,真实的A/D转换器会有些误差,使其SINAD测量值小于理想值。比如,SINAD为45.4dB的A/D转换器的ENOB为7.25位,与完美的7.25位A/D转换器具有相同的SINAD。

---- 数据表中A/D转换器的ENOB数值应当由SINAD而非SNR得出,许多厂商都这样做。只有当THD优于SNR 12到15dB时ENOB才应当从SNR计算得到。还有,要注意确定ENOB的输入信号频率。频率升高时ENOB会下降。

---- 请注意,来自不同厂家的具有类似器件号(其管脚配置也很可能相似)的A/D转换器的性能却不一定相同。仅通过阅读不同厂商的数据表来选择A/D转换器不一定合适。应当在实验室对它们进行测试。

---- 一些厂商(如美国国家半导体公司等)提供A/D转换器评估板,允许设计工程师评估转换器的动态性能。国家半导体公司的评估板带有软件,使设计者可利用计算机或不用计算机更容易地评估A/D转换器的动态性能。

 
 
 2009-5-1 13:47:04  
jack 
副连长
等级: 普通会员
文章:12
积分:254
     第1楼
 
 
 2010-12-31 17:00:54  
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