Introduction to AD converter 原理.ppt

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1、ADC基本原理采样·量化·编码ADC的主要技术参数静态参数·动态参数ADC结构双积分结构·SAR结构·Δ-Σ结构ADAS1128应用IntroductiontoADconverterA/D基本原理A/D转换器是把模拟电压或电流转换为与之成正比的数字量。A/D转换一般包括采样，保持，量化，编码这四个过程。有些A/D转换器不需要保持电路，量化和编码又常常在转换过程中同时完成。采样定理采样采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程采样定理:为了能不失真地恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍，即:Fs>=2Fmax量化及编码量化把模拟信号按

2、量化单位作取整处理编码把已经量化的模拟数值用二进制数码或其它的码来表示量化编码过程量化编码过程量化过程产生量化误差，是由于A/D的有限分辩率而引起的误差。A/D器件的位数越高，分辨率越高，量化误差越小。理想A/D转换曲线图理想A/D转换曲线图最小分辨率1LSB=量化误差量化误差为在[-q/2,q/2]内均匀分布的锯齿波波形，最大量化误差q/2。均方根值为信噪比定义信噪比定义设N位ADC满量程电压为±1V,输入信号为s(t)=sinωt,则输入信号电压有效值Ps=量化噪声均方根值Pn=于是得理想ADC输出信噪比量化噪声频谱分布量化噪声均匀分布在奈奎斯特带宽（Fs

3、/2）内。A/D精度表示法精度A/D静态指标A/D静态指标是指实际转换器的转移函数与理想转换直线的偏移。静态指标包括偏移误差、增益误差、微分非线性（DNL)和积分非线性（INL)。偏移误差偏移误差偏移误差是指输出代码为零时实际输入模拟信号与理想输入模拟量的差值。增益误差增益误差增益误差是指满刻度输出时对应的模拟输入信号与理想模拟输入信号值之差。被看作是在偏移得到校正之后满量程代码中的一个移位。微分非线性（DNL）DNL定义为实际转换代码宽度与理想1LSB码宽的差异，如果代码转换发生时输入模拟电压不是比上一次转换大1LSB，那么就产生了DNL误差。DNL指出代码

4、值如何随模拟输入的变化而变化，如果DNL值大于1，那么ADC为非单调性，甚至出现失码。在成像应用中DNL是高速A/D转换器最重要的参数之一。积分非线性（INL）INL表示了ADC器件某一代码值上对应的实际模拟值，和理想模拟值之间的最大误差。定义为实际转换点与理想转换点之差。在高分辨率成像应用中积分非线性(INL)具有重要意义。A/D动态指标动态指标测量一般采用快速傅立叶变换（FFT)法动态特性指标包括信噪比(SNR)、信号与噪声失真比(SINAD)、总谐波失真(THD)、无杂散动态范围(SFDR)、以及有效位数(ENOB)。信噪比（SNR）信噪比(Signal

5、-to-Noise-Ratio)是指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量（不包括直流和谐波分量）的总有效值之比。下式是理想的NbitADC的SNR计算公式:SNR=6.02N+1.76dB信噪失真比（SINAD）信噪失真比（Signal-to-Noise-and-DistortionRatio）定义为ADC满量程单频正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量（包括谐波分量，不包括直流分量）的总有效值之比。在理想的ADC转换器中SINAD和SNR是相同的。实际中二者相差的是谐波

6、失真的部分。SNR是转换器所能达到的理想状态，SINAD是反映转换器实际性能参数的指标，我们希望SINAD越接近SNR越好。其他动态指标-THD、SFDR、ENOB总谐波失真(TotalHarmonicDistortion)THD是输入信号与系统所有谐波的总功率比。无杂散动态范围(SpuriousFreeDynamicScale)SFDE是信号基波幅度的有效值与最大谐波分量的有效值之比。有效位数(EffectiveNumberofBits)ENOB是表征实际分辨率的参数。数据手册上写的分辨率是转换器输出的可用位数，并没有考虑有无噪声。当THD一定时，ENOB正

7、比于信噪比(SNR)。ENOB=[SINAD(dB)-1.76dB]/6.02dBA/D动态指标数学表达式SNR=10*log10(Ps/Pn)   SINAD=10*log10(Ps/(Pn+Pd))   THD=10*log10(Pd/Ph(1))   SFDR=10*log10(Ph(1)/max(Ph(2:10)))其中：Ps——信号功率、Pn——噪声功率、Pd——由二到五次谐波引起的失调功率、Ph(1)——谐波功率（基波）、Ph(2:10)——二到九次谐波功率。动态指标实例图中给出了带有典型FFT结果的图。当输入为10kHz频率的满量程正

8、弦波时，FFT显示出了在整个40kHz