本文將描述精度、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍之間的差異。本文還將揭示信號(hào)鏈內(nèi)部的不精確性是如何累積并導(dǎo)致誤差的。定義新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，這些內(nèi)容對(duì)于理解如何正確指定或選擇一個(gè)ADC有著重要作用。

精度、分辨率與動(dòng)態(tài)范圍

許多轉(zhuǎn)換器用戶似乎在互換使用精度和分辨率這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)，但這種做法是錯(cuò)誤的。精度和分辨率這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)并不相等，但是具有相關(guān)性，所以，不應(yīng)互換使用。可以把精度和分辨率視為堂兄妹，但不是雙胞胎。
精度就是誤差，或者說(shuō)測(cè)量值偏離真值的幅度。精度誤差可以稱為靈敏度錯(cuò)誤。分辨率就是測(cè)得值的表示或顯示精細(xì)度。即使系統(tǒng)的分辨率為12位，也并不意味著它能測(cè)量精度為12位的值。

例如，假設(shè)一塊萬(wàn)用表可以用6位數(shù)來(lái)表示測(cè)量值。則該萬(wàn)用表的分辨率為6位，但是，如果最后一位或兩位數(shù)似乎在測(cè)量值之間擺動(dòng)，則分辨率會(huì)受到影響，測(cè)量精度同樣會(huì)受到影響。 系統(tǒng)或信號(hào)鏈里的誤差會(huì)一直累積，使原始測(cè)量值失真。因此，了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍也很關(guān)鍵，以便衡量要設(shè)計(jì)的信號(hào)鏈的精度和分辨率。

我們?cè)僖匀f(wàn)用表為例。如果表示位數(shù)為6，則其動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)為120 dB（或6 × 20 dB/十倍頻程）。但要注意的是，最后兩位仍在擺動(dòng)。因此，真實(shí)動(dòng)態(tài)范圍只有80 dB。這就是說(shuō)，如果設(shè)計(jì)人員要測(cè)量1 μV（或0.000001 V)的電壓，則該測(cè)量值的誤差可能高達(dá)100 μV，因?yàn)閷?shí)際器件的精度僅為100 μV（或0.0001 V或0.0001XX V，其中，XX表示在擺動(dòng)的最后兩位）。

實(shí)際上，描述任何系統(tǒng)的整體精度的方法有兩種：直流和交流。直流精度表示整個(gè)給定信號(hào)鏈中展現(xiàn)出來(lái)的“偏離”累積誤差，這種方法有時(shí)稱為“最差條件”分析。交流精度表示整個(gè)信號(hào)鏈中累積的噪聲誤差項(xiàng)，這項(xiàng)指標(biāo)決定著系統(tǒng)的信噪比(SNR)。然后把這些誤差累加起來(lái)，結(jié)果會(huì)使SNR下降，并產(chǎn)生整個(gè)設(shè)計(jì)更真實(shí)的有效位數(shù)(ENOB)。實(shí)際上，取得這兩個(gè)參數(shù)可以告訴用戶，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信號(hào)下，系統(tǒng)有多精確。

低頻SNR、ENOB、有效分辨率和無(wú)噪聲代碼分辨率之間的關(guān)系

記住，ADC可以“接受”多種信號(hào)（通常分為直流或交流），并以數(shù)字方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化。了解ADC在系統(tǒng)中的誤差意味著，設(shè)計(jì)人員必須了解要采樣的信號(hào)的類型。因此，信號(hào)類型取決于如何定義轉(zhuǎn)換器誤差對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。這些轉(zhuǎn)換器誤差一般以兩種方式定義：無(wú)噪聲代碼分辨率（表示直流類信號(hào)）和“信噪比等式”（表示交流類信號(hào)）。

由于電阻噪聲和“kT/C”噪聲，所有有源器件（如ADC內(nèi)部電路）都會(huì)產(chǎn)生一定量的均方根(RMS)噪聲。即使是直流輸入信號(hào)，此噪聲也存在，它是轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)中代碼躍遷噪聲存在的原因。其更常用的說(shuō)法為折合到輸入端噪聲。折合到輸入端噪聲通常用將直流輸入施加到轉(zhuǎn)換器時(shí)的若干輸出樣本的直方圖來(lái)表征。大多數(shù)高速或高分辨率ADC的輸出為一系列以直流輸入標(biāo)稱值為中心的代碼。為了測(cè)量其值，ADC的輸入端接地或連接到一個(gè)深度去耦的電壓源，然后采集大量輸出樣本并將其表示為直方圖（有時(shí)也稱為“接地輸入”直方圖）-見(jiàn)圖1。由于噪聲大致呈高斯分布，因此可以計(jì)算直方圖的標(biāo)準(zhǔn)差σ，它對(duì)應(yīng)于有效輸入均方根噪聲，表示為L(zhǎng)SB rms。

圖1.轉(zhuǎn)換器折合到輸入端噪聲或ADC“接地輸入”直方圖。

雖然ADC固有的差分非線性(DNL)可能會(huì)導(dǎo)致其噪聲分布與理想的高斯分布有細(xì)微的偏差，但它至少大致呈高斯分布。如果代碼分布具有較大且獨(dú)特的峰值和谷值，則表明存在PC板布局欠佳、接地不良、電源去耦不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。

典型情況下，折合到輸入端噪聲可以表示為均方根量，單位通常是LSB rms。涉及這類量的規(guī)格通常與高分辨率精密型轉(zhuǎn)換器相關(guān)，原因在于較低的采樣速率和/或其采集的直流類或低速信號(hào)。設(shè)計(jì)用于精度測(cè)量的Σ-Δ ADC，其分辨率在16至24位之間，其數(shù)據(jù)手冊(cè)一般會(huì)列出折合到輸入端噪聲、有效分辨率、無(wú)噪聲代碼分辨率等規(guī)格，用以描述其直流動(dòng)態(tài)范圍。

另一方面，面向音頻應(yīng)用的較高頻率的Σ-Δ ADC一般都用總諧波失真(THD)和總諧波失真加噪聲(THD + N)來(lái)描述。