数据转换器介绍 - 交流和直流参数

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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 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 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 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 在这个例子中我们可以看到 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 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 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 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 以上就是本次的内容 谢谢观看
课程介绍 共计3课时,25分13秒

TI 高精度实验室 – 数据转换器介绍

数据转换器 高精度实验室 A/D

本章节对A/D转换中关键技术参数进行介绍,其中直流的参数包括输入电容,漏电流,输入阻抗,参考电压范围,积分非线性和差分非线性,交/直流参数包括失调误差,增益误差,共模抑制比,电源抑制比,信噪比和总谐波失真系数,最后还介绍了A/D转换器的不同输入结构。
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