ADC/DAC(2)- 选ADC我们主要看什么?

2018-12-03 11:28:52 来源:电路设计技能
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上篇文章我们讲述了ADCDAC是连接模拟世界和数字世界的桥梁,但桥梁有多种 - 有宽窄之分、快慢之分。同样ADC和DAC也有很多公司提供不同种类的器件,如何从这些品类繁多的器件中选择适合自己项目的器件?由于ADC和DAC的差异性还是比较大的,因此我们今天的文章就针对ADC来看一下:
 
ADC - 将在时间上和幅度上都连续的模拟电信号在一定序列的时钟信号的上升沿或下降沿对其幅度进行量化,生成能够用数字表征的信号幅度值。如下图:
 
 
直观上理解,让数字化的信息能够尽可能不失真地表征原来的模拟信号信息,必须具备以下条件(先从静态的信号看):
 
对信号幅度的量化要足够的精细,也就是要达到一定的细致程度,比如你向一个姑娘介绍对象,说一个身高1.75米的小伙身高一米多、不到两米(只用了10进制中的一个数字),姑娘肯定不满意,即便你说1米7多、不到1米8(用了十进制中的2个数字),她还是不满意,一定要知道他究竟是1.75米还是1.78米。如果你告诉他1.756m,她一定会觉得你吃饱了撑的,因为最后一个数字她并不关心,她也不相信最后一个数字的准确性(1天24小时内会发生变化),因此描述小伙子身高的精度只需要3位数(十进制),少了无法满足系统的要求,多了在这种场景下失去了意义,本身也不准确。
 
 
ADC应用中比较直观的就是对声音和图像的量化,就拿图像来比方,如果你用一个bit表征一个像素点,那整个图像就量化后就是黑白的,如果你用4bits来量化每个像素点,可以得到16级灰度的图像,如果你对每个像素点分开三种颜色R、G、B分别以8位进行量化,则就可以得到普通肉眼分辨不出来细节的图像 - 在电脑上屏幕上你能看到一个让你想咬一口的苹果,如果你使用了R、G、B三色都为8位的ADC进行量化的话。
 
要不要再精细地量化?更精细意味着耗费更多的bit数 -  ADC价格增加、存储空间也增加,未必给你的视觉效果带来任何改善,除非某些用户的眼睛对细节的辨别能力超级的强。当然现在的照相机对每个像素点进行采样的分辨率远高于8bit(14bit的ADC很常用),why?这在以后的文章中会讲到,主要是为了得到足够的动态范围,你可以在后期对图像进行亮度、对比度,乃至ISO等等进行调节,省去了ADC前面模拟电路的复杂设计。
 
结论 - 量化精度的选取,也就是ADC的位数- 分辨率是非常重要的一个指标,我们要根据实际要设计的系统的要求,综合考虑到系统的其它因素以及成本等选定一个合适的位数。记住更多的位数未必给你更精准的信息,因为量化的过程取决于很多因素,量化后产生的误差(error)可能让你后面的位数没有任何意义,比如一个人每天的身高从早上起床到晚上躺下其变化可能在1.75-1.76之间,任何1.75x中国的x都是由于采样时间不同导致的模糊性,也就相当于ADC的量化误差。
 
想一下 - 量化误差取决于哪些因素?
 
分辨率 - 如果你用1位数,只能说1米多,而1米-2米之间的所有不同都被模糊掉了,如果你用2位,则可以分辨的是1.7或1.8,1.7-1.8之间的所有不同也被模糊掉了,因此由于分辨率不够就会导致量化的误差,看下面的正弦波被不同位数的ADC量化后的数字表征,16bit可以非常精准地描述原来的模拟波形,而3bit的采样则让我们看到像楼梯台阶一样的信号。当然这两个波形的采样时钟频率也不同。
 
    
 
线性度 - 你的量尺理论上应该是刻度均匀的,如果不均匀,用你的标尺测量出来的也就有了误差,这种不均匀就是非线性,我们用的所有ADC都是通过将输入电压同内部的基准电压进行比较来进行判决其所处的区间的,如果每个刻度比较的电路不一致,自然就会造成非线性误差,是电路就会有不一致性,因此非线性的误差一定是存在的,只是不同的工艺、不同的厂商的不同器件其线性度也不同,因此非线性误差也就不同,一般器件会用积分非线性(INL)和差分非线性(DNL)两个指标来进行表征;比如ADI公司的8位ADC器件AD9283在其数据手册中给出的DNL和INL的数据 - 由于非线性导致的误差相当于最小分辨精度(LSB)的值。
 
   
 
供电噪声 任何被用来做基准的东西都应该是稳定不变的,比如ADC和DAC中使用的参考电压(内部转换成参考电流),只要是电源供电的电压,就无法100%保证其没有波动(噪声),无论是ADC的模拟电路供电电压,还是参考基准源的电压,都需要尽可能保持干净,其上面的噪声一定会导致量化误差。
 
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