1.2 数据转换器介绍 - 交流和直流参数

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室

ADC 部分

这一节将会对数据转换中

失调误差增益、误差共模抑制比

和电源抑制比进行讲解

同时也会对数据转换中

信噪比和总谐波失真系数进行介绍

首先是失调误差和增益误差

这里是失调误差和增益误差的

基本计算方法

AD 转换是一个非线性的过程

在计算中最常用的就是线性端点拟合

选择 ADC 的起始点和终止点

作为拟合参数

拟合曲线为 y=mx+b

斜率可以通过任意两点的坐标确定

失调误差就是当 x=0

Y轴的截距

增益误差是理论斜率

和实际斜率的差值百分比

失调误差和增益误差

通常也被称为直流误差

现在让我们来看一下

失调误差是如何受电源电压

和共模电压影响的

首先我们先来介绍一下

共模抑制比和电源抑制比的概念

共模输入电压是指两个输入端的平均值

当输入电压发生变化时

它将引入一个误差源

这里可以理解为一个

失调误差源加载到了输入端

误差源的大小由共模抑制比来确定

即 CMRR

共模抑制比通常用分贝来表示

这里是它的计算方法

下面这个公式表达的是

共模误差和共模电压变化量的一个关系

电源抑制比 PSR

可以理解为电源产生的一个误差源

加载到了 ADC 的输入端

电源的抑制比

是电源电压变化量的一个函数

电源的变量和噪声

将会影响 ADC 的输入端

形成一个误差源

电源抑制比的表达式和共模抑制比类似

只是它是以电源电压作为变量的

这里是 ADC 共模抑制比的一个例子

测量共模抑制比最简单的方法

就是将两个输入端连接在一起

改变共模电压

由于共模电压是两个输入端电压的平均值

因此当两个输入电压连接在一起时

输入电压就是共模电压

在这个例子中我们可以看到

共模电压的范围是从 5V 到 2.5V 变化的

那么共模电压的变化量就是 2.5V

结合上一页

共模抑制比的计算公式

这里可以选择 100dB

那么它的共模误差就是 25μV

电源抑制比考虑的是

电源电压变化引起的误差

这个误差可以理解为

直流电源的变化量或者噪声信号

在这个例子中

我们可以考虑一个

0.2V 200kHz 的噪声信号

加载到了电源上

一般在规格书中说明的电源抑制比

是指供电电压直流的变化量

对于交流信号而言

我们可以通过波特图来表示

从这图从这个图上可以看出

200kHz 时电源抑制比是 58dB

那么结合前面的公式

我们可以得到

0.2V 电源变化量

在 58dB 电源抑制比的情况下

引入的输入端的噪声是 252μV

接下来就是 AD 转换中

另一个非常重要的参数

信噪比

通常来讲

信噪比是用来判断信号质量的

信噪比高

说明信号比噪声大很多

相应的信噪比低

说明噪声比信号大很多

信噪比是通过测量信号

和噪声的电压值来确定的

通常也可以用分贝来表示

对于理想情况下

ADC 的信噪比

还可以通过第三个公式来计算

其中 N 是指 ADC 的位数

对于一个十位的ADC来说

这个公式可以得到

ADC 的信噪比为 61.96dB

这个公式是结合了量化噪声

与实际噪声和信号的关系得到的

这个关系只是针对于

只存在量化噪声

这一种噪声源的理想 ADC 而言的

通常情况下

我们计算出的信噪比

都要比这个公式给出的值低很多

因为在实际中还存在其他的噪声源

另一个常用的交流参数

就是总谐波失真系数 THD

在了解 THD 之前

首先要了解非线性度

非线性度是指

实际转换函数与理想转换曲线的偏离程度

这页内容给出了实际转换曲线

向左偏离了理想转化曲线

而且是非线性的

理想转换曲线它是一条直线

而非线性曲线包含了高阶项

导致偏离的直线

为了便于理解

这里展示了一个非线性的例子

可以看到在输入电压较低时

非线性曲线与理想曲线非常的接近

但随着输入电压增大

曲线逐渐偏离

也就是说输入信号大时

实际的增益要比理想的大很多

这样就会把正弦波的上半周给拉长

这种现象就称为失真

在频谱中会引入谐波

这里左边的频谱图

展示了右图中非线性量化的频谱

上半周顶部的失真引入了谐波

通常谐波的频率是基波的整数倍

在这个例子中

基波频率为 1kHz

谐波频率为 2k、3k、4k 等

有时区别奇数次谐波

和偶次谐波是非常重要的

因为不同的电路结构

可能会产生不同频率的谐波

偶次谐波频率是基波频率的偶数倍

奇次谐波是频率是基波频率的奇数倍

在这个例子中

2k、4k 为偶次谐波

3k、5k 为奇次谐波

如果数字信号能够无失真的还原输入信号

则不会有谐波产生

这里给出了 THD 的计算公式

根据 HV 提出的 ADC 谐波测试标准要求

计算中需要使用二次到十次谐波

THD 是各个谐波电压的平方和

除以电压有效值平方的均方根

可以用百分比来表示

也可以用 dB 来表示

THD+N 与 THD 类似

但是在计算中包括了噪声的有效值

下面是信纳比

信纳比 SINAD

是信噪比和失真的简写

等于 THD+N 的倒数

如果用分贝来表示的话

两者数字相同

符号不同

需要注意的是

信纳比和 THD+N

通常要比信噪比和 THD 差

因为它们包括了两个噪声源

以上就是本次的内容

谢谢观看

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室

ADC 部分

这一节将会对数据转换中

失调误差增益、误差共模抑制比

和电源抑制比进行讲解

同时也会对数据转换中

信噪比和总谐波失真系数进行介绍

首先是失调误差和增益误差

这里是失调误差和增益误差的

基本计算方法

AD 转换是一个非线性的过程

在计算中最常用的就是线性端点拟合

选择 ADC 的起始点和终止点

作为拟合参数

拟合曲线为 y=mx+b

斜率可以通过任意两点的坐标确定

失调误差就是当 x=0

Y轴的截距

增益误差是理论斜率

和实际斜率的差值百分比

失调误差和增益误差

通常也被称为直流误差

现在让我们来看一下

失调误差是如何受电源电压

和共模电压影响的

首先我们先来介绍一下

共模抑制比和电源抑制比的概念

共模输入电压是指两个输入端的平均值

当输入电压发生变化时

它将引入一个误差源

这里可以理解为一个

失调误差源加载到了输入端

误差源的大小由共模抑制比来确定

即 CMRR

共模抑制比通常用分贝来表示

这里是它的计算方法

下面这个公式表达的是

共模误差和共模电压变化量的一个关系

电源抑制比 PSR

可以理解为电源产生的一个误差源

加载到了 ADC 的输入端

电源的抑制比

是电源电压变化量的一个函数

电源的变量和噪声

将会影响 ADC 的输入端

形成一个误差源

电源抑制比的表达式和共模抑制比类似

只是它是以电源电压作为变量的

这里是 ADC 共模抑制比的一个例子

测量共模抑制比最简单的方法

就是将两个输入端连接在一起

改变共模电压

由于共模电压是两个输入端电压的平均值

因此当两个输入电压连接在一起时

输入电压就是共模电压

在这个例子中我们可以看到

共模电压的范围是从 5V 到 2.5V 变化的

那么共模电压的变化量就是 2.5V

结合上一页

共模抑制比的计算公式

这里可以选择 100dB

那么它的共模误差就是 25μV

电源抑制比考虑的是

电源电压变化引起的误差

这个误差可以理解为

直流电源的变化量或者噪声信号

在这个例子中

我们可以考虑一个

0.2V 200kHz 的噪声信号

加载到了电源上

一般在规格书中说明的电源抑制比

是指供电电压直流的变化量

对于交流信号而言

我们可以通过波特图来表示

从这图从这个图上可以看出

200kHz 时电源抑制比是 58dB

那么结合前面的公式

我们可以得到

0.2V 电源变化量

在 58dB 电源抑制比的情况下

引入的输入端的噪声是 252μV

接下来就是 AD 转换中

另一个非常重要的参数

信噪比

通常来讲

信噪比是用来判断信号质量的

信噪比高

说明信号比噪声大很多

相应的信噪比低

说明噪声比信号大很多

信噪比是通过测量信号

和噪声的电压值来确定的

通常也可以用分贝来表示

对于理想情况下

ADC 的信噪比

还可以通过第三个公式来计算

其中 N 是指 ADC 的位数

对于一个十位的ADC来说

这个公式可以得到

ADC 的信噪比为 61.96dB

这个公式是结合了量化噪声

与实际噪声和信号的关系得到的

这个关系只是针对于

只存在量化噪声

这一种噪声源的理想 ADC 而言的

通常情况下

我们计算出的信噪比

都要比这个公式给出的值低很多

因为在实际中还存在其他的噪声源

另一个常用的交流参数

就是总谐波失真系数 THD

在了解 THD 之前

首先要了解非线性度

非线性度是指

实际转换函数与理想转换曲线的偏离程度

这页内容给出了实际转换曲线

向左偏离了理想转化曲线

而且是非线性的

理想转换曲线它是一条直线

而非线性曲线包含了高阶项

导致偏离的直线

为了便于理解

这里展示了一个非线性的例子

可以看到在输入电压较低时

非线性曲线与理想曲线非常的接近

但随着输入电压增大

曲线逐渐偏离

也就是说输入信号大时

实际的增益要比理想的大很多

这样就会把正弦波的上半周给拉长

这种现象就称为失真

在频谱中会引入谐波

这里左边的频谱图

展示了右图中非线性量化的频谱

上半周顶部的失真引入了谐波

通常谐波的频率是基波的整数倍

在这个例子中

基波频率为 1kHz

谐波频率为 2k、3k、4k 等

有时区别奇数次谐波

和偶次谐波是非常重要的

因为不同的电路结构

可能会产生不同频率的谐波

偶次谐波频率是基波频率的偶数倍

奇次谐波是频率是基波频率的奇数倍

在这个例子中

2k、4k 为偶次谐波

3k、5k 为奇次谐波

如果数字信号能够无失真的还原输入信号

则不会有谐波产生

这里给出了 THD 的计算公式

根据 HV 提出的 ADC 谐波测试标准要求

计算中需要使用二次到十次谐波

THD 是各个谐波电压的平方和

除以电压有效值平方的均方根

可以用百分比来表示

也可以用 dB 来表示

THD+N 与 THD 类似

但是在计算中包括了噪声的有效值

下面是信纳比

信纳比 SINAD

是信噪比和失真的简写

等于 THD+N 的倒数

如果用分贝来表示的话

两者数字相同

符号不同

需要注意的是

信纳比和 THD+N

通常要比信噪比和 THD 差

因为它们包括了两个噪声源

以上就是本次的内容

谢谢观看