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分辨率 vs 噪声 —— ADC的挑战

设计者常用高分辨率 ADC 以降低最低可量测单位(LSB),提高检测精度。

比如一个 16 位 ADC 在 5V 范围内,LSB ≈ 76 μV;理想情况下可以检测到微弱电信号。

问题是:

信号上的噪声幅度 > LSB,则 LSB 分辨的不是“信号”,而是“噪声”!

如果系统本底噪声是 100 μV,那么这个 76 μV LSB 就毫无意义;此时所谓“高分辨率”变成了“伪分辨率”或“无效分辨率”。

目标:噪声 ≤ ½ LSB,才有意义地体现 ADC 分辨率

理论原则:

噪声必须低于 LSB 的一半(0.5 × LSB),系统才具备该分辨率的“有效位数”。

若超过这个限制,ADC 分辨的就是“噪声波动”,而非真实信号变化。

举例计算:

假设用一个16-bit ADC,量程 0–5V:LSB = 5 V / 2¹⁶ ≈76.3 μV

那么你必须将系统总噪声控制在≤ 38 μV(即 0.5 × LSB)。否则,这个 ADC 实际能体现的分辨率就低于 16 bit。

噪声 vs ENOB(有效位数)

系统噪声越大,ADC 实际有效位数(ENOB)越低,近似公式如下(注意,是近似):

即便你用的是 18-bit ADC,如果噪声高,那你得到的 ENOB 可能还不到 12 位。

建议噪声控制目标(经验值):

ADC 分辨率 理想 LSB (5V量程) 建议系统总噪声上限(RMS
12 bit ≈ 1.22 mV < 600 μV
14 bit ≈ 305 μV < 150 μV
16 bit ≈ 76 μV < 38 μV
18 bit ≈ 19 μV < 9 μV
20 bit ≈ 4.8 μV < 2.4 μV

注:这里的“系统总噪声”包括:传感器噪声、放大器噪声、电源噪声、ADC内部噪声。

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若你无法将系统噪声控制到图中的推荐值以下,就不建议使用对应的高位数 ADC,因为你得不到真正的有效分辨率。

在设计高分辨率采集系统时,必须同步控制噪声:这包括传感器前端、放大器、电源、PCB布局和滤波。

原文授权自:云深之无迹 (工程师看海

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