什么是小信號(hào)帶寬(SSBW)?

將連續(xù)變量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的器件。ADC (A/D)模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(英語(yǔ)：Analog-to-digital converter, ADC, A/D or A to D)是用于將模擬形式的連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的離散信號(hào)的一類(lèi)設(shè)備。一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以提供信號(hào)用于測(cè)量。與之相對(duì)的設(shè)備稱(chēng)為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控制或被測(cè)量的對(duì)象大多是變化得物理量，這種連續(xù)變化的物理量是指在時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的量，也就是我們常說(shuō)的物理量。這種模擬量的數(shù)值和極性有傳感器進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)用單片機(jī)參與測(cè)量時(shí)，必須將他們轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量才能被單片機(jī)接受。能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC或A/D.典型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為表示一定比例電壓值的數(shù)字信號(hào)。然而，有一些模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器并非純的電子設(shè)備，例如旋轉(zhuǎn)編碼器，也可以被視為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。數(shù)字信號(hào)輸出可能會(huì)使用不同的編碼結(jié)構(gòu)。通常會(huì)使用二進(jìn)制二補(bǔ)數(shù)(也稱(chēng)作“補(bǔ)碼”)進(jìn)行表示，但也有其他情況，例如有的設(shè)備使用格雷碼(一種循環(huán)碼)。

本文章是關(guān)于ADC/DAC設(shè)計(jì)經(jīng)典問(wèn)答，涵蓋時(shí)鐘占空比、共模電壓、增益誤差、微分相位誤差、互調(diào)失真等常見(jiàn)問(wèn)題。

1. 什么是小信號(hào)帶寬(SSBW)?

小信號(hào)帶寬(Small Signal Bandwidth (SSBW))是指在指定的幅值輸入信號(hào)及特定的頻率下，它的輸出幅值比低頻時(shí)的輸出幅值下降指定值時(shí)，該特定頻率為小信號(hào)帶寬。

2. 什么是共模電壓(VCM)?

共模電壓(Common Mode Voltage (VCM ))是差動(dòng)輸入的兩個(gè)引腳上相同的直流輸入電壓。

3. 什么是MSB(最高有效位)?

MSB(最高有效位(Most Significant Bit))，是具有最大的值或權(quán)重的位。它的值是滿(mǎn)量程的一半。

4. 什么是采樣(孔徑)延時(shí)?

采樣(孔徑)延時(shí)(Sampling (Aperture) Delay)是時(shí)鐘輸入的后邊緣到采樣開(kāi)關(guān)打開(kāi)所需的時(shí)間。采樣/保持電路有效地停止輸入信號(hào)捕獲，并進(jìn)入“保持”模式，確定時(shí)鐘延時(shí)后的采樣。

5. 什么是滿(mǎn)量程(FS)輸入范圍?

滿(mǎn)量程輸入范圍(Full Scale Input Range)，是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器上數(shù)字化的輸入電壓的輸入范圍，既不低于這個(gè)范圍也不超過(guò)這個(gè)范圍。比如 V REF + = 3.5V 和 VREF - = 1.5V， FS = (VREF + )-(VREF - ) =2.0V。

6. 什么是時(shí)鐘占空比?

時(shí)鐘占空比(Clock Duty Cycle)是時(shí)鐘波形高電平時(shí)間和一個(gè)時(shí)鐘周期總時(shí)間的比值。

7. 什么是位的有效數(shù)(ENOB ，或有效位)?

位的有效數(shù)(ENOB ，或有效位)(Effective Number of Bits (ENOB， 或Effective Bits))是信噪比和失真的比率，或SINAD的另一種表達(dá)方法。ENOB定義為(SINAD -1.76)/ 6.02，這個(gè)位數(shù)(ENOB)表示轉(zhuǎn)換器是與理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器等效。

8. 什么是增益誤差?

增益誤差是在第一個(gè)代碼和最后一個(gè)代碼發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，實(shí)際輸人電壓與理想輸人電壓之差。即，這個(gè)差值是：滿(mǎn)量程 - 2 LSB。

9. 許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的應(yīng)用，在Va， Vd 和Vref引腳上出現(xiàn)了三個(gè)電容。這三個(gè)電容器都是必須的嗎?

根據(jù)特定器件和電路板的布局，一個(gè)或兩個(gè)電容可能就足夠了。較大的電容，通常是5到10?F的，提供了低阻抗大容量存儲(chǔ)，在轉(zhuǎn)換期間保證了電壓的穩(wěn)定性。較小值的電容器吸收較高頻率的噪音尖峰。如果印制電路板具有非常好的布局用于低噪聲工作，而且不包含一個(gè)微控制器或其他的嘈雜的數(shù)字邏輯，可能需要更少的電容器。但是為使ADC工作電平精度獲得保證，一般情況下最好是遵循數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦。

10. 什么是零誤差?

ADC雙級(jí)輸出的零誤差是理論的輸入電壓(典型的是中心值加1/2LSB)和實(shí)際輸入電壓之間的差異，這個(gè)實(shí)際輸入電壓引起了輸出從0到1的轉(zhuǎn)換。

11. 什么是輸出保持時(shí)間?

輸出保持時(shí)間是指在輸入時(shí)鐘邊緣后輸出有效數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度。

12. 什么是分辨率?

分辨率是模擬增量，相當(dāng)于1 LSB轉(zhuǎn)換器代碼的變化。分辨率也被定義為轉(zhuǎn)換器位數(shù)(n)的個(gè)數(shù)。數(shù)字代碼的個(gè)數(shù)等于2^n，其中“n”是位的個(gè)數(shù)。舉一個(gè)例子，一個(gè)12位轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)和2 ^ 12 = 4096數(shù)字編碼的映射關(guān)系。12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，是輸入電壓的滿(mǎn)量程除以2^12，或4096，不會(huì)引起輸出代碼超出范圍。

13. 什么是微分相位誤差?

微分相位誤差(Differential Phase Error)是指，小信號(hào)正弦波在兩個(gè)不同的直流(DC)輸入電平重構(gòu)下，輸出相位的差。

14. 什么是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)?

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)(DynamicSpecifications)涉及到那些交流(AC)輸入信號(hào)。這些包括信/噪比(SNR)，SINAD(信號(hào)噪聲+失真)，ENOB(有效位數(shù))，THD(總諧波失真)，IMD(互調(diào)失真)，F(xiàn)PBW(全功率帶寬)，SSBW(小信號(hào)帶寬)。

15. 什么是互調(diào)失真(IMD)?

互調(diào)失真(Intermodulation Distortion)，是指沒(méi)有出現(xiàn)在輸入端，作為兩個(gè)正弦曲線(xiàn)的頻率同時(shí)作用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入，而形成的額外的頻譜成分。它被定義為在互調(diào)積中的能量和原始頻率中的總能量比值?；フ{(diào)失真(IMD)通常用分貝(dB)來(lái)表示。

16. 什么是增益溫度系數(shù)(滿(mǎn)量程溫度系數(shù))?

增益溫度系數(shù)(滿(mǎn)量程溫度系數(shù))是指增益誤差變化量和溫度變化量的比值。通常用每百萬(wàn)分之/ 攝氏度(ppm/°C)表示。

17. 什么是總諧波失真(THD)?

總諧波失真(THD)，用dB或dBc表示，是指總的諧波電平(美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體模數(shù)轉(zhuǎn)換器是9個(gè)諧波段)和輸入信號(hào)的倍頻出現(xiàn)在輸出的電平?？傊C波失真(THD)計(jì)算方法如下：THD=“sqrt”[ ( f2xf2 + f3xf3 +f4xf4 + f5xf5 + f6xf6 + f7xf7 + f8xf8 + f9xf9 + f10xf10) / (f1xf1) ] f1是輸入信號(hào)的基頻，f2 到f10這9個(gè)諧波頻率是基頻的倍頻。

18. 什么是零刻度偏移誤差?

單極輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的零刻度偏移誤差是指理想的輸入電壓(1/2 LSB) 和實(shí)際輸入電壓之間的差，引起輸出代碼由0到輸出代碼1的轉(zhuǎn)換。

19. 什么是全功率帶寬(FPBW)?

全功率帶寬(FPBW)是指滿(mǎn)量程輸入在重構(gòu)的輸出基頻下降到3分貝時(shí)低于其低頻值的頻率。

20. 什么LSB(最低有效位)?

LSB(最低有效位)，是指所有位中最小的值或權(quán)值。這個(gè)值是m*VREF/2 n，其中：“ m ”為主，是基準(zhǔn)量程因子(這是最常見(jiàn)的單位)，其中“n”是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。

21. 怎樣才能消除模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘線(xiàn)和控制線(xiàn)上的超調(diào)量和/或欠調(diào)量?

超調(diào)量和/或欠調(diào)量，是由高速信號(hào)邊緣和不匹配信號(hào)終端混合引起的。增加一個(gè)47至100Ω電阻串聯(lián)到輸入，電阻要盡可能的靠近時(shí)鐘源。目的是為了和時(shí)鐘線(xiàn)上的信號(hào)阻抗匹配，輸電線(xiàn)路也應(yīng)該這樣考慮。串聯(lián)的終端用一個(gè)小的附加電源，為減少擺動(dòng)效應(yīng)通常是足夠了。

22. 什么是輸出延時(shí)?

輸出延時(shí)是指輸入時(shí)鐘的后邊緣到數(shù)據(jù)更新出現(xiàn)在輸出引腳的延遲時(shí)間。

23. 什么是孔徑抖動(dòng)?

孔徑抖動(dòng)是指采樣值間孔徑延時(shí)的變化?？讖蕉秳?dòng)作為輸入噪聲出現(xiàn)。

24. 什么是信號(hào)噪聲及失真比(S/(N+D) 或 SINAD) ?

信號(hào)噪聲及失真比(S/(N+D) 或 SINAD)，用分貝表示(dB)，出現(xiàn)在輸出的輸入信號(hào)的有效值和所有其他光譜成分的有效值的比值，頻譜成分包括低于時(shí)鐘頻率一半頻譜的諧波，但不包括直流。

25. 什么是滿(mǎn)量程階躍響應(yīng)?

滿(mǎn)量程階躍響應(yīng)，定義為VIN從VREF-變化到VREF+，或從VREF+變化到 VREF-，為轉(zhuǎn)換器設(shè)定足夠的恢復(fù)，并滿(mǎn)足其額定精度的轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。

26. 什么是通道延時(shí)(潛伏期)?

通道延時(shí)(潛伏期)，是指轉(zhuǎn)換啟動(dòng)到轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)時(shí)之間的時(shí)鐘周期的數(shù)量。數(shù)據(jù)對(duì)于任何給定的采樣是可利用通道延時(shí)加上輸出延遲后進(jìn)行采樣。每隔一個(gè)時(shí)鐘周期，可得到新的數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)落后于通道延時(shí)加上輸出延時(shí)。

27. 什么是模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)指標(biāo)?

靜態(tài)指標(biāo)是關(guān)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的直流(DC )信號(hào)輸入的指標(biāo)。這些包括增益誤差，偏移誤差，以及微分與積分線(xiàn)性誤差。

28. 什么是總不可調(diào)整誤差(TUE)?

總不可調(diào)整誤差(Total Unadjusted Error(TUE))，是指理想的情況下數(shù)字代碼的中心和輸入電壓范圍相關(guān)的電壓的最大偏差。總未調(diào)整誤差包括偏移誤差，增益誤差，以及微分與積分非線(xiàn)性誤差。

29. 什么是滿(mǎn)量程誤差?

滿(mǎn)量程誤差，是最后代碼的轉(zhuǎn)換離理想的1個(gè) 1/2 LSB 以下VREF +到多大范圍的測(cè)量，并定義為：VFSE =Vmax + 1.5 LSB- VREF + ，其中Vmax是轉(zhuǎn)換為最大代碼時(shí)的電壓，可以用伏特表示，最低有效位或滿(mǎn)量程范圍的百分?jǐn)?shù)。

30. 什么是轉(zhuǎn)換時(shí)間?

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器完全一個(gè)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間不包括采樣時(shí)間，多路復(fù)用器設(shè)置時(shí)間，或完成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的其他部分，轉(zhuǎn)換時(shí)間可能少于吞吐量時(shí)間。

31. 什么是電源抑制比(PSRR) ?

電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio)，可分為兩種規(guī)格。直流電源抑制比(DC PSRR )是特定參數(shù)的變化量(例如，滿(mǎn)量程誤差)和一個(gè)電源電壓指定變化量的比值。交流電源抑制比(AC PSRR)是衡量一個(gè)電源上疊加的特定頻率和振幅的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在輸出上的輸出振幅，和它在電源引腳上的振幅的比值。電源抑制比(PSRR)通常用分貝表示。

32. 什么是遺漏碼?

遺漏碼，是那些輸出碼被忽略的，或?qū)⒂肋h(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的。這些碼不能通過(guò)任何輸入值。

33. 什么是吞吐量率?

吞吐率是模數(shù)轉(zhuǎn)換器最高的連續(xù)轉(zhuǎn)換率。

34. 什么是信噪比(SNR)?

信噪比(SNR)是一個(gè)比率，用分貝(dB)表示，出現(xiàn)在輸出的輸入信號(hào)的有效值和所有其他頻譜成分(低于采樣頻率的一半，除諧波分量和直流分量外)總和的有效值的比率。信噪比 (SNR)是信號(hào)電平的有效值與各種噪聲(包括量化噪聲、熱噪聲、白噪聲等)有效值之比的分貝數(shù)。其中信號(hào)是指基波分量的有效值，噪聲指奈奎斯特頻率以下的全部非基波分量的有效值(除諧波分量和直流分量外)。

35. 什么是吞吐時(shí)間?

吞吐時(shí)間是指轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所花的時(shí)間。吞吐時(shí)間包括任何多路復(fù)用器的建立時(shí)間，采樣時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間，輸出顯示時(shí)間。

36. 什么是直流共模誤差?

直流共模誤差(DC Common-Mode Error)是用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入的一個(gè)規(guī)格。當(dāng)兩個(gè)輸入上的模擬電壓被改變相同的值時(shí)，發(fā)生輸出代碼的變化量。它通常用LSBs表示。

37. 什么是偏置誤差?

ADC的偏置誤差定義為使最低位被置成“1”狀態(tài)時(shí)ADC的輸人電壓，與理論上使最低位被置成“1”狀態(tài)時(shí)的輸人電壓之差。

38. 印制電路板的電源地是否應(yīng)作為數(shù)字和模擬的共同地?

是的，他們應(yīng)該是一樣的。但是重要的是，要慎重給所有電源和信號(hào)布線(xiàn)以使地電流與電源和信號(hào)分開(kāi)。

?ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)?是電子系統(tǒng)中用于信號(hào)轉(zhuǎn)換的兩個(gè)重要組件。

ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)

?ADC(Analog-to-Digital Converter)?的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在電子系統(tǒng)中，許多傳感器(如溫度傳感器、光傳感器等)輸出的信號(hào)是連續(xù)的模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)或數(shù)字電路無(wú)法直接處理這些模擬信號(hào)，因此需要使用ADC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。ADC的工作原理包括采樣、量化和編碼三個(gè)主要步驟：

?采樣?：對(duì)輸入的模擬信號(hào)在一定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行采樣。

?量化?：將采樣得到的模擬值映射到一個(gè)離散的數(shù)字值。

?編碼?：將量化后的結(jié)果以二進(jìn)制數(shù)的形式輸出給處理器。

?關(guān)鍵參數(shù)?包括：

?分辨率?：決定了ADC可以區(qū)分的電壓等級(jí)，常見(jiàn)的有8位、10位、12位等。

?采樣率?：每秒鐘對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的次數(shù)，通常以kHz或MHz為單位。

?輸入范圍?：ADC能接受的輸入電壓范圍，通常由單片機(jī)的供電電壓或參考電壓決定。

DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)

?DAC(Digital-to-Analog Converter)?的作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。在需要將處理后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出時(shí)，如音頻信號(hào)或模擬控制電壓等場(chǎng)合，就需要使用DAC。DAC的工作原理包括以下幾個(gè)步驟：

?讀取數(shù)字輸入?：接收來(lái)自單片機(jī)或處理器的數(shù)字值。

?轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)?：根據(jù)輸入的數(shù)字值生成對(duì)應(yīng)的連續(xù)電壓或電流信號(hào)。

?輸出模擬信號(hào)?：轉(zhuǎn)換完成后，模擬信號(hào)輸出到外部設(shè)備或電路中。

?關(guān)鍵參數(shù)?包括：

?分辨率?：與輸出的模擬信號(hào)精度有關(guān)，如12位DAC能夠輸出4096個(gè)不同的電壓值。

?輸出范圍?：DAC的輸出電壓或電流范圍，通常與參考電壓或供電電壓有關(guān)。

?輸出速率?：DAC能以多快的速度輸出模擬信號(hào)。