ADC模数转换器 动态范围，精确度bit和分辨率最低辨别电压多少V

https://www.icxbk.com/ask/detail/2740.html

參考電壓是影響分辨率,假設精度不變,有效為10 Bit,那麼5V參考電壓的分辨率為5/1023=0.0048V,但3v參考電壓則為3/1023=0.0029V,所以分辨率改變了

精度則是看ADC有效為幾Bit,就是多少精度,並不會隨參考電壓而改變

最近做了一块板子，当然考虑到元器件的选型了，由于指标中要求精度比较高，所以对于AD的选型很慎重。很多人对于精度和分辨率的概念不清楚，这里我做一下总结，希望大家不要混淆。我们搞电子开发的，经常跟“精度”与“分辨率”打交道，这个问题不是三言两语能搞得清楚的，在这里只作抛砖引玉了。

简单点说，“精度”是用来描述物理量的准确程度的，而“分辨率”是用来描述刻度划分的。从定义上看，这两个量应该是风马牛不相及的。（是不是有朋友感到愕然^_^）。很多卖传感器的JS就是利用这一点来糊弄人的了。简单做个比喻：有这么一把常见的塑料尺（中学生用的那种），它的量程是10厘米，上面有100个刻度，最小能读出1毫米的有效值。那么我们就说这把尺子的分辨率是1毫米，或者量程的1%；而它的实际精度就不得而知了（算是0.1毫米吧）。当我们用火来烤一下它，并且把它拉长一段，然后再考察一下它。我们不难发现，它还有有100个刻度，它的“分辨率”还是1毫米，跟原来一样！然而，您还会认为它的精度还是原来的0.1毫米么？（这个例子是引用网上的，个人觉得比喻的很形象！）

回到电子技术上，我们考察一个常用的数字温度传感器：AD7416。供应商只是大肆宣扬它有10位的AD，分辨率是1/1024。那么，很多人就会这么欣喜：哇塞，如果测量温度0-100摄氏度，100/1024……约等于0.098摄氏度！这么高的精度，足够用了。但是我们去浏览一下AD7416的数据手册，居然发现里面赫然写着：测量精度0.25摄氏度！所以说分辨率跟精度完全是两回事，在这个温度传感器里，只要你愿意，你甚至可以用一个14位的AD，获得1/16384的分辨率，但是测量值的精度还是0.25摄氏度^_^

所以很多朋友一谈到精度，马上就和分辨率联系起来了，包括有些项目负责人，只会在那里说：这个系统精度要求很高啊，你们AD的位数至少要多少多少啊……

其实，仔细浏览一下AD的数据手册，会发现跟精度有关的有两个很重要的指标：DNL和INL。似乎知道这两个指标的朋友并不多，所以在这里很有必要解释一下。

DNL：Differencial NonLiner——微分非线性度

INL：Interger NonLiner——积分非线性度（精度主要用这个值来表示）

他表示了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值，和真实值之间误差最大的那一点的误差值。也就是，输出数值偏离线性最大的距离。单位是LSB（即最低位所表示的量）。

当然，像有的AD如△—∑系列的AD，也用Linearity error 来表示精度。

为什么有的AD很贵，就是因为INL很低。分辨率同为12bit的两个ADC，一个INL＝±3LSB，而一个做到了±1.5LSB，那么他们的价格可能相差一倍。

所以在这里帮大家把这两个概念理一下，以后大家就可以理直气壮的说精度和分辨率了，而不是将精度理解为分辨率。呵呵，希望对大家有用！^_^

1、 如何区别分辨率及精度。

器件精度的两个非常重要的参数就是INL（积分非线性误差）值和DNL（微分非线性误差）值

比如12位ADC：TLC2543，INL值为1LSB。那么，如果基准4.095V，测某电压得的转换结果是1000，那么，真实电压值可能分布在 0.999~1.001V之间。

比如STM8L内部12位ADC： ，INL值为2LSB。那么，如果基准为2.5V,测得电压的转换结果是1000，那么，真实电压值值的波动范围在998.78mV~1001.22mV之间。

对任何AD来说，量化后输出的数字信号值都是以1LSB的电压值步进的，介于1LSB之间的电压将按照一定的规则进行入位或舍弃，这个过程中造成的误差被称为“量化误差”，量化误差属于原理性误差，是无法消除的。

最低有效位LSB的定义

http://blog.sina.com.cn/s/blog_8cb37d8b0102w9sm.html

ADC制造商在数据手册中定义ADC性能的方式令人困惑，并且可能会在应用开发中导致错误的推断。最大的困惑也许就是“分辨率”和“精确度”了——即Resolution和Accuracy，这是两个不同的参数，却经常被混用，但事实上，分辨率并不能代表精确度，反之亦然。本文提出并解释了ADC“分辨率”和“精确度”，它们与动态范围、噪声层的关系，以及在诸如计量等应用中的含义。

动态范围被定义为系统可测量到的最小和最大信号的比例。

最大信号可为峰间值，零到峰(Zero-to-Peak)值或均方根(RMS)满量程。其中任何一个都会给出不同值。例如，对于一个1V正弦波来说：

峰间(满量程)值＝2V

零到峰值＝1V

RMS满量程＝0.707×峰值振幅＝0.707×1V＝0.707V

最小信号通常为RMS噪声，这是在未应用信号时测量的信号的均方根值。测量得到的RMS噪声级别将取决于测量时使用的带宽。每当带宽翻倍，记录的噪声将增长1.41或3dB。

因此，一定要注意动态范围数字始终与某个带宽相关，而后者通常未被指定，这使记录的值变得没有意义。

器件的信噪比(SNR)和动态范围多数时候被定义为同一个值，即：

动态范围 ＝ SNR ＝ RMS满量程/RMS噪声

并且经常使用dB作为单位，即

动态范围(dB) ＝ SNR(dB) ＝ 20*Log10 (RMS满量程/RMS噪声)

与使用RMS满量程相反，一些制造商为了使图表看上去更漂亮，引用零到峰或峰间值，这使得最终的动态范围或SNR增加了3dB或9dB，因此我们需要仔细研究规范以避免误解。

在讨论ADC性能时，分辨率和精确度是经常被混用的两个术语。一定要注意，分辨率并不能代表精确度，反之亦然。

ADC分辨率由数字化输入信号时所使用的比特数决定。对于16位器件，总电压范围被表示为216 (65536)个独立的数字值或输出代码。因此，系统可以测量的绝对最小电平表示为1比特，或ADC电压范围的1/65536。

A/D转换器的精确度是指对于给定模拟输入，实际数字输出与理论预期数字输出之间的接近度。换而言之，转换器的精确度决定了数字输出代码中有多少个比特表示有关输入信号的有用信息。

如前所述，对于16位ADC分辨率，由于出现内部或外部误差源，实际的精确度可能远小于分辨率。因此，举例而言，一个给定的16位ADC可能只能提供12位的精确度。对于这种情况，4LSb(最低有效位)表示ADC中生成的随机噪声。

ADC动态范围和ADC精确度通常指相同的内容。

图 1 展示了基本的ADC测量电路。

图1：基本的ADC测量电路。

理想ADC生成一个数字输出代码，是关于模拟信号电压和电压参考输入的方程，其中

输出代码 ＝ 满量程电压 × [VIN+ - VIN-] / [VREF+ - VREF-]

＝ 满量程电压 × [VIN /VREF]

每个数字输出代码表示参考电压的一个小数值。

必须注意，ADC动态范围应当匹配将要转换的信号的最大振幅，这样才能使ADC转换精度最大化。

现在假设将要转换的信号在0V到2.5V间变化，而VREF等于3.3V，如图2所示。

图2：输入信号振幅和ADC动态范围。

16位ADC将包括216 ＝ 65536个步骤或转换，且最低有效位(LSB)＝VREF/65536＝3.3V/65536＝50.35uV。对于理想的ADC，所有代码都具有1LSB的相同宽度。

如果ADC的最大信号值为2.5V，那么意味着总共有49652次转换(2.5V/1LSB)。对于这种情况，将有15884次转换未被使用(65536-49652＝15884)。这反应了转换后的信号精确度损失或ENOB损失(损失0.4位)。

如果ADC参考(VREF)和ADC最大信号电平之间的差异增加，那么ENOB损失或精确度损失将加剧。例如，如果ADC最大信号电平为1.2V且VREF＝3.3V，那么ENOB损失将为1.5位。因此ADC动态范围一定要匹配最大信号振幅，以获得最高精确度。

应用示例

我们通过一些例子来说明这些参数在某些典型应用中的具体含义。

a) 数码相机

简单来说，数码相机的动态范围就是图像传感器的一个像素生成的可检测到的最亮和最暗值的范围，使用比特作为单位。ADC的最小比特率(分辨率)由图像传感器的动态范围(精确度)决定。举例而言，如果传感器的动态范围为1000：1(也可以称为60dB)，那么ADC应当至少为10位(2^10＝1,024分立电平) 才能避免信息损失。然而，在实际中，应当将ADC往高指定为12位，以允许ADC具有一定的容错裕量。

只因为相机具有12位或16位的ADC就宣称它具有12位动态范围会令人误解，因为噪声以及用于产生这个动态范围的像素井的容量没有被考虑在内。

因此，综上所述，只有传感器本身具有足够的动态范围时上述描述才成立。色调范围和动态范围永远也不会超过传感器的动态范围。因此必须要清楚相机的实际动态范围。本节内容解释了具有12位动态范围的相机并不表示相机有一个12位的ADC。

b)电阻温度计

电阻温度计(RTD)利用了某些材料在不同温度下电阻会发生可预测的变化这一原理。电阻温度计通常使用铂制成，并且具有以下特征：

0oC时的传感器电阻＝100ohm

电阻变化/ oC＝0.385ohm(欧洲基本区间)

激活传感器的感应电流＝1mA

温度范围 ＝ 0至500oC

注意，电阻温度计需要通过大约1mA的弱电流来确定电阻。1°C的温度变化会引起0.385 ohm的电阻变化，因此即使一个小的电阻测量错误也会引起很大的温度测量误差。

电阻温度计需要检测到0.1oC的温度变化，这将成为系统在0至500 oC之间的LSB。电阻在这个范围的对应变化幅度将为192.5ohm。对于这个变化幅度，该范围下的电压将为192.5mV。

现在，动态范围 ＝ 满量程电压/LSB大小

＝ 192.5mV/38.5uV

＝ 5000

要满足这一要求，13位ADC应当已经够用。

注意，由于整个RTD传感器的电压范围为100mV到292.5mV且LSB大小足够低到可由任何SAR ADC分辨，您将需要一个增益放大器来在ADC可以实际支持的范围内增大这个范围。假设我们使用一个固定增益为17的增益放大器。通过使用这个增益放大器，电压将从1.7V增加到4.92V。正如前面所解释的一样[如图 2所示]，在这个输出电压范围内您的ADC将不能够得到充分利用，因此将限制动态范围。

由于我们在这个应用中最关心的是LSB大小(RTD传感器应当能够使用0.1oC的温度变化进行响应)，并且假设典型ADC具有5V的满量程电压，因此您将需要一个转换器，其中

ENOB(有效位数) ＝ 1.44ln(满量程/LSB)

＝1.44ln(5V/38.5uV)

≈17位(近似值)

一个Σ-Δ ADC应当能够提供这种性能。

注意，13位应用并不总是需要13位转换器。

c) 电气计量

如今，电表变得越来越复杂，并且要求在不同动态范围下获得高精确度，因为任何测量误差都会使电力公司蒙受巨大的损失。

对于动态范围为2000：1的Class1电表，必须测量的最小信号大约为0.5mV，假设ADC满量程电压为1V。

这种仪表的最大误差规格通常为针对指定动态范围测量的参数的0.1%。

目标错误＝0.5mV×0.1%

＝500nV。

因此，要测量的最小信号为500nV。

系统需要从1V中解析出500nV，这将要求ADC具有1V/500nV≈2×106次输出转换。这需要使用具有21位ENOB的ADC。

需要注意的一点是通用21位ADC并不能满足这些需求，除非它具备一个良好的噪声层并能够分辨最低500nV的电压。

这个具体示例仅仅介绍了电表中的电压测量需求。电表中的电流测量具有比电压测量更严格的需求，但是本例并没有介绍详细内容。

结束语

模数转换器(ADC)宣称具有“n”位分辨率，这常常被误解为精确度。分辨率和精确度完全是两个概念，两者不能混用。应该由具体的应用来确定是否允许丢失代码以及所需ADC精确度。本文通过解释一些应用示例展示了精确度和分辨率的差别。此外，ADC精确度不能仅仅取决于ADC性能和特性，它与围绕ADC的整个应用设计有关。系统实际上指定了所需的真正动态范围。

作者：Mohit Arora

飞思卡尔半导体系统工程师