SAR-ADC的量化误差

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2022-01-29 10:37:13

我的问题与量化误差和 SAR-ADC 的功能有关。通常,ADC 的量化误差定义为 +-0.5LSB。如果这个概念是正确的,等于 1.75LSB 的电压将在 ADC 的输出端产生 2LSB,而等于 1.25LSB 的电压将在 ADC 的输出端产生 1LSB。根据我们得到的链接示例转换曲线U_LSB = 1V/(2^3bit) = 0,125V,因此 0,21875V (1.75LSB) 的输入电压将产生 0,250V 的输出电压,而 0,15625V 的输入电压将产生 0,125V 的输出电压。到现在为止还挺好。让我们跳到 SAR-ADC 的基本概念。

理想转换曲线

输入电压 Vin 由采样保持模块采样。然后通过比较器将该采样电压与已知电压进行比较。该已知电压 V_DAC 由参考电压 Vref 提供的 DAC 提供。DAC 的数字输入由 SAR 寄存器生成为数字字。该数字字取决于比较器的结果。最初,SAR 从设置 MSB 开始。之后,将 ADC 的输出电压 V_DAC 与输入电压 Vin 进行比较。如果 Vin 大于 V_DAC,则 MSB 保持设置。如果 Vin 小于 V_DAC,则 MSB 将再次设置为零。在下一步中,SAR 寄存器设置以下位,并且 V_DAC 和 Vin 的比较过程继续进行,直到达到 LSB。

我的问题在于这个严格的比较过程,它永远不会允许ADC的输出电压高于输入电压Vin。当我从第一段中举一个例子时,只要我不超过 0,250V (2LSB),SAR-ADC 就会给我 0,125V (1LSB) 作为输出电压。因此,1.25LSB 和 1.75LSB 的输入电压都将提供 1LSB 输出。这意味着 +-0.5LSB 量化误差的概念对于 SAR-ADC 来说是不正确的,理想的转换步骤将向右移动 0.5ULSB(见红色曲线图)。新的量化误差将是最大值。-1LSB。

新的转换曲线?

这个思考过程是正确的还是我错过了什么?我无法想象量化误差的一般概念与 SAR-ADC 的架构不匹配……

1个回答

OP 显示的是截断和舍入之间的区别,就误差而言,它只是引入了偏移量。它们在频谱上产生相同的量化噪声;量化噪声(以及等效噪声功率)的标准偏差是等效的,因为在这些计算中忽略了 DC 偏移。如果担心引入的偏移误差 (1/2 lsb),也可以很容易地减去它。

此外,应该澄清的是,无论由于电子设备的模拟部分,DAC 和 ADC 都将具有有限的 DC 偏移,这通常与模拟链中的其他 DC 偏移一致(考虑负运算放大器和正运算放大器之间的偏移电压例如,终端或零中频接收器中的载波泄漏),以及何时将实际问题(对于我们试图测量 DC 值的系统)合并到带有校准或消除环路的整体 DC 偏移消除算法中) 作为所有偏移量组合的一部分。由于大多数 DAC 和 ADC 的精度都在自噪声因素允许的范围内,因此 ENOB(等效位数)通常比规定的精度差 1 到 2 位(例如,12 位转换器的 ENOB 可能为10.5 位)。出于这个原因,如果引入了 0.5 位的 DC 偏移,通常甚至不用担心,因为这远低于实际实现的总体精度。ADC 和 DAC 数据表中阐明了有关 ENOB 的这些详细信息。

OP询问如何验证噪声等效性。鉴于两者之间的唯一区别是静态偏移,通过查看图表很明显,但可以通过创建浮点满量程正弦波然后通过两个舍入创建两个量化信号来简单地计算等价以进行进一步验证并将正弦波截断为最接近的整数。从原始浮点信号中减去量化的定点(整数)信号,就可以单独得到量化误差。然后计算每个的标准偏差,它们将是等效的。

这张图表我以图形方式展示了这一点;具体来说,显示的内容概括为复杂波形(具有 I 和 Q 的两个 ADC),但对于单个 ADC(实际波形),概念是相同的,因为舍入或截断的波形是具有更高精度的量化噪声的总和波形(例如浮点或更具体地通过舍入/截断在量化之前模拟波形的样本)。

量化误差波形

此外,如果您使用不相称的正弦波(为正弦波选择一个不是采样时钟整数约数的频率),您还可以通过后续的 FFT 和其他统计分析看到量化噪声是如何被很好地建模的作为均匀的白噪声分布,您还可以确认任何一种情况(截断或舍入)用于估计 SNR(量化噪声基底相对于满量程正弦波的总功率)的公式,如下所示:

SNR=6.02dB/bit+1.76dB

我在此链接中进一步详细说明:

具有较高信号采样率的优点是什么?