有效位的概念

不管是設計還是購買數(shù)字化系統(tǒng)，您都需要某種手段來確定系統(tǒng)的實際數(shù)字化性能。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、波形數(shù)字化儀或數(shù)字存儲示波器的輸出信號與模擬輸入信號的實際接近程度怎樣呢?

在最基本的層次上，數(shù)字化性能似乎只是簡單的分辨率問題為了得到理想的幅度分辨率，應采用擁有必要“位”數(shù)(量化等級)的數(shù)字化器件。為了得到理想的時間分辨率，需要有必要取樣速率的數(shù)字化器件。這些問題看上去非常簡單，但遺憾的是，它們也很容易會出現(xiàn)誤導，盡管“8位數(shù)字化器件”可能會在DC或緩慢變化的信號上提供接近8位的準確性和分辨率，但卻不適用于速度較高的信號根據(jù)采用的數(shù)字化技術(shù)及其它系統(tǒng)因素，動態(tài)數(shù)字化性能會隨著信號速度提高而明顯下降。在到達指定帶寬之前，8位數(shù)字化器的性能可以下降到6位、4位、甚至更少的有效位。

如果您正在設計ADC設備、數(shù)字化儀器或測試系統(tǒng)，那么必需了解影響數(shù)字化性能的各種因素，并通過某種手段評估數(shù)字化器件的整體性能。有效位測試為確定動態(tài)數(shù)字化性能指標提供了一種手段。有效位不僅可以作為各個設計階段(從ADC設備設計或選型開始)的評估手段，還可以用來提供整個系統(tǒng)動態(tài)性能指標。

對數(shù)字化系統(tǒng)采購決策者來說，有效位同樣是一個重要的評估工具手段。在某些情況下，有效位可能已經(jīng)被作為系統(tǒng)或儀器指標的一部分，這在波形數(shù)字化儀器中正變得越來越常見。但是，并不是每臺儀器，每個系統(tǒng)部件都給出了有效位指標，因此，可能需要評估有效位，以便進行比較。如果數(shù)字化器件嵌入到系統(tǒng)中，那么有效位評估可以為動態(tài)數(shù)字化系統(tǒng)性能提供整體系統(tǒng)指標。

通常，有效位提供了，來指定數(shù)字化設備或儀器表示各種頻率的信號的能力的一種手段?；靖拍钊鐖D1所示，其中圖中顯示了有效位與頻率關(guān)系情況。

圖1顯示了兩臺數(shù)字化器件的有效位數(shù)與頻率關(guān)系，與增益帶寬或波特圖一樣，ENOB一般(但不總是)隨著頻率下降。主要區(qū)別在于:ENOB圖比較的是數(shù)字化精度或數(shù)字位的準確性，而不是模擬增益(或衰減)準確性。

圖告訴我們，有效數(shù)字化的準確性隨著數(shù)字信號頻率增加而下降。換句話說，8位數(shù)字化器只在DC和低頻或低信號斜率上提供了8個有效位的準確性。隨著被數(shù)字化的信號的頻率或速度提高，數(shù)字化性能下降到越來越低的有效位值。

數(shù)字化過程中的誤差來源

與數(shù)字化有關(guān)的噪聲或誤差可能自有各種來源。即使在理想的數(shù)字化器中，量化也會有最低的噪聲或誤差大小。這種“量化誤差”總計為±1/2LSB(最低有效位)，如圖2和表1所示這個誤差是數(shù)字化本身的一部分，它是與理想的數(shù)字化有關(guān)的分辨率極限或不確定性。在這個基本的理想本底誤差之上，實際的數(shù)字化器進一步增加了誤差。這些進一步增加的實際誤差可以劃分成幾大類:

-DC偏置(也是AC偏置或“碼型”誤差，有時稱為“固定碼型失真”，與交錯的采樣方式有關(guān))

增益誤差(DC和AC)

非線性度(模擬)和非單調(diào)性(數(shù)字)

相位誤差

隨機噪聲

頻率(時基)不準確性

-孔徑不確定性(取樣時間抖動)

數(shù)字誤差(如由于亞穩(wěn)定性、代碼丟失等導致的數(shù)據(jù)丟失)

其它誤差來源，如觸發(fā)抖動

圖說明了部分其它基本誤差類別，使您能夠?qū)ζ溆绊懹幸粋€直觀認識。數(shù)字化器中的許多誤差都是指定的或與任何放大器或模擬網(wǎng)絡有關(guān)的經(jīng)典誤差類型。例如，DC偏置、增益誤差、相位誤差、非線性度和隨機噪聲可能會發(fā)生在波形捕獲過程(從模擬波形輸入到數(shù)字化波形值輸出)中的任何部分。

有效位測量流程

除上面提到的誤差來源和考慮因素外，數(shù)字化誤差還可能有其它來源。例如，在沒有采樣保持或跟蹤保持的實時高速數(shù)字化中，最低有效位必須以非常高的速率變化，以跟蹤高速變化的信號。這對數(shù)據(jù)線路及這些低有效位緩沖輸入提出了高帶寬要求。如果沒有達到這些帶寬要求，快速變化的低有效位將被“丟失”，造成數(shù)字化器的有效位性能下降。當然，在數(shù)字化設備之前和之后還有許多其它可能的誤差來源。

比起區(qū)分和測量數(shù)字化系統(tǒng)中的各個誤差源而言，測量整體性能要更加簡便。換句話說，在理想的輸入信號一定時，數(shù)字化系統(tǒng)對輸出信號的整體誤差有什么影響?一個很好的起點是確定數(shù)字化系統(tǒng)的SNR及公式2、3、4定義的有效位這提供了容易理解的通用比較指標。

基本測試流程如圖所示。需要把已知的理想信號應用到數(shù)字化器件中，然后由計算機分析數(shù)字化后的波形。由于理想正弦波生成和表征相對簡便，所以使用正弦波作為測試信號，整體測試要求是:正弦波的發(fā)生器的性能必須超過被測數(shù)字化器的性能。否則，測試將不能把數(shù)字化誤差與信號源誤差分開?？赡苄枰谛盘栐粗性黾訛V波器，以把信號源諧波降低到明顯低于被測數(shù)字化器期望的水平。

其它動態(tài)性能測試

除有效位測試外，還可以使用其它測試方法來評估數(shù)字化器的動態(tài)性能，其中包括FFT測試、頻譜平均測試和直方圖測試。一般來說，使用這些測試可以增強有效位測試結(jié)果，或者獲得數(shù)字化器性能的某些特定方面的具體信息。表2概括了各種測試進行的誤差測量。

簡單地說，F(xiàn)FT測試可以測量由于積分非線性度導致的數(shù)字化器的本底噪聲和諧波失真，通過簡單地計算數(shù)字化的正弦波測試信號的FFT來完成。假設FFT計算的精度遠遠高于數(shù)字化的正弦波，F(xiàn)FT結(jié)果的本底噪聲就是數(shù)字化器的本底噪聲，此外，來自非線性度的任何諧波都將反映在FFT結(jié)果中。假設信號源波形中的諧波失真達到最小，諧波幅度表明數(shù)字化器的非線性度，應該指出的是，數(shù)據(jù)上使用的窗口類型及是否在FFT應用之前從數(shù)據(jù)中去掉了均值，會影響對結(jié)果分析

除重復采集的測試波形變換成頻域之外，頻譜平均與FFT測試類似。將逐點平均計算，獲得頻譜平均值。這可以更簡便地查看數(shù)字化器的性能，更簡便地分析本底噪聲和諧波。但是，為有效分析結(jié)果，結(jié)果中應有測試信號幅度和頻率信息。

直方圖測試采用不同的方式研究數(shù)字化信號代碼密度。在測試時，數(shù)字化器件數(shù)字化輸入的純正弦波，不同數(shù)字輸出代碼的相對發(fā)生數(shù)量稱為代碼密度。這被視為歸一化的直方圖，顯示了從零到滿刻度的每個代碼的發(fā)生頻率。輸出“0”代碼密度表明了代碼丟失，密度偏離理想值一般表明線性度誤差。

是否苊箒緋秀進行覡乘附加測試取決于有疑問的數(shù)字化器期望的誤差指標數(shù)量。如圖1和表2所示，有效位很好地從整體上表明了數(shù)字化器的動態(tài)性能?？梢允褂闷渌鼫y試擴展這一測試，反映與具體誤差來源有關(guān)的更多細節(jié)。但是，有效位仍是基本指標中最主要的指標，在很大程度上就像帶寬是放大器和示波器的基本指標一樣。