模數(shù)轉換器即A/D轉換器，簡稱ADC，將模擬信號轉變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號。輸入端輸入的模擬電壓，經(jīng)采樣、保持、量化和編碼四個過程的處理，轉換成對應的二進制數(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中各個電壓值轉化為某個最小單位的整數(shù)倍，便于用數(shù)字量來表示。編碼是將量化的結果(即整數(shù)倍值)用二進制數(shù)碼來表示。這個過程則實現(xiàn)了模數(shù)轉換。

01、分辨率與動態(tài)范圍

ADC分辨率為用于表示模擬輸入信號的位數(shù)。為了更準確地復現(xiàn)模擬信號，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的動態(tài)范圍是指ADC能夠分辨的信號幅值范圍；ADC的分辨率位數(shù)(N)決定ADC的動態(tài)范圍，代表ADC可測量的輸入信號等級范圍，DR可定義為：

由于信號在給定時間視窗內的RMS幅值取決于信號幅值在該時間視窗內如何變化，因此ADC的DR變化取決于輸入信號特征。對于其滿量程范圍(FSR)內的恒定DC輸入而言，理想的N位ADC可分別測量FSR和FSR/2N的最大及最小RMS幅值。因此，ADC的DR為：

對于正弦波信號輸入而言，正弦波輸入信號的最小可測量RMS幅值受量化誤差的限制，正弦波輸入信號的理想ADC的DR是：DR=6.02N+1.76dB假設ADC的動態(tài)范圍為60dB，則其可分辨的信號幅值為x至1000x。通常動態(tài)范圍非常重要，因為如果信號太大，則會造成ADC輸入過量程；如果信號太小，則會被淹沒在轉換器的量化噪聲中。

02、信噪比與信噪失真比

數(shù)模轉換器的信噪比(SNR)是指輸入信號功率與噪聲功率的比值，這里用來量化數(shù)據(jù)轉換器內的噪聲，SNR也能使用信號幅度和噪聲幅度的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從量化噪聲推導而得，表達式為：SNR=6.02N+1.76dB這里N是理想ADC的位數(shù)，對于理想的N位數(shù)據(jù)轉換器(不考慮諧波失真)的正弦波輸入，整個奈奎斯特帶寬上能達到的最佳SNR。 但對于實際的ADC，除了量化噪聲，數(shù)據(jù)轉換器的SNR也會受到自身熱噪聲和采樣時鐘相位噪聲的限制。噪聲來自主要有三個源頭： ? 量化噪聲 ? ADC熱噪聲 ? 抖動或采樣不確定噪聲 信號與噪聲失真比(Signal to Noise And Distortion，SINAD)指輸入正弦波時，RMS信號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)轉換器的動態(tài)性能的關鍵參數(shù)之一，它包含奈奎斯特帶寬上的所有噪聲和雜散。SNDR的表達式為：

其中，信號功率是有用信號、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，反映的是輸入信號的質量，從總體上衡量數(shù)據(jù)轉換器的動態(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)轉換器相對于輸入信號在奈奎斯特帶寬上的轉換質量(以位為單位)的參數(shù)。 這里的ENOB假定轉換器是擁有理論上完美性能，不發(fā)生失真，唯一產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的另一種表達方式：

然而，對于非理想數(shù)據(jù)轉換器而言，SNDR和ENOB會發(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/偏移誤差和孔徑時鐘相噪或抖動。外部偏置基準源和電源軌上的噪聲也會降低ENOB。 總諧波失真（THD）測量信號的失真成分，用相對于基波的分貝（dB）表示。對于ADC，總諧波失真（THD）是所選輸入信號諧波的RMS之和與基波之比。測量時，只有在奈奎斯特限值之內的諧波被包含在內。 類似于THD因非線性原因隨輸入頻率增加而劣化，ENOB值也會隨頻率加大而劣化。ENOB來自于SNDR，而SNDR又與THD以及SNR相關聯(lián)。要了解數(shù)據(jù)轉換器的準確ENOB，需閱讀數(shù)據(jù)手冊中的詳細規(guī)格和規(guī)定的條件。 大部分模擬數(shù)據(jù)轉換器IC廠商一般傾向于推廣理想條件下的ENOB，尤其是數(shù)據(jù)手冊標題所載的ENOB值。然而，大量系統(tǒng)工程師和采購經(jīng)理仍然好奇的是，為什么測量出的ENOB值和數(shù)據(jù)手冊所載的理想值不同？ 實際使用中，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，因此從未能達到這一SNR值。計算ADC的有效N：ENOB = （SNR–1.76）/6.02 dB。假設器件是一款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成一個理想的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ENOB的一些理解要點：

? 一般數(shù)據(jù)轉換器數(shù)據(jù)手冊標題顯示的“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。

? ENOB主要與噪聲、非線性和輸入頻率存在函數(shù)關系。

? ENOB會因多種外部不確定性因素（例如時鐘源、電源等）而劣化。

? ENOB是在整個奈奎斯特帶寬上（DC到fs/2）計算的。

審核編輯：郭婷