在 本系列的第 1 部分和第 2 部分中，我詳細探討了模數轉換器 (ADC) 噪聲性能，從其特性和來源到如何測量和指定。在本系列的第 3 部分中，我會將第 1 部分和第 2 部分的理論理解應用到實際設計示例中。最終，目標是為您提供回答問題所需的知識，“我真正需要什么樣的噪聲性能？” 讓您可以輕松自信地為您的下一個應用選擇 ADC。

系統規格

我將首先定義應用的系統規格，將這些規格轉換為目標噪聲性能參數，并使用該信息來比較潛在的 ADC。例如，讓我們分析一個使用與圖 1 所示類似的四線電阻橋的稱重應用。

圖 1. 典型的四線電阻橋

對于系統規格，假設電橋的靈敏度為 2mV/V，激勵電壓為 2.5V，您希望以每秒 5 個樣本 (SPS) 進行采樣。這提供了 5mV 的最大輸出電壓，對應于 1kg 的最大施加重量。我們還假設您希望能夠解決 50 毫克的最小應用重量。表 1 總結了這些參數。

現在您已了解系統規格，讓我們將它們轉換為常見的噪聲參數，以幫助選擇最佳 ADC。

定義系統噪聲參數

在本系列的第 2 部分中，我強烈建議使用參考輸入噪聲來定義系統噪聲參數并選擇 ADC。但讓我們從使用無噪聲計數和無噪聲分辨率的更常見方法開始。然后您可以將此方法與直接使用輸入參考噪聲進行比較。等式 1 和 2 計算您的初始噪聲參數：

等式 1

等式 2

如果需要 14.3 位的無噪聲分辨率，您可能很快就會得出結論，您只需要一個 16 位 ADC。然而，正如我在第 2 部分中所解釋的，高分辨率 delta-sigma ADC 實際可以提供的無噪聲分辨率取決于 ADC 滿量程范圍的利用率百分比。在本例中，系統使用 2.5V 參考電壓，最大輸入信號是激勵電壓 (2.5V) 和電橋靈敏度 (2mV/V) 的乘積。公式 3 顯示了使用第 2 部分中的公式 2 的預期分辨率損失：

等式 3

這是一個戲劇性的結果。由于您只使用了可用滿量程范圍的 0.1%，您將損失近 10 位的分辨率。在這個級別，即使是 24 位 ADC 也不足以滿足系統要求。要解決此問題，您需要通過更改系統規格或放大輸入信號來提高百分比利用率。假設您幾乎無法控制系統所需的內容，您只能增加輸入，這一操作絕對會改變信號鏈的噪聲性能。

幸運的是，您無需詳細了解放大器噪聲如何影響系統性能就可以繼續分析。相反，您可以使用現有知識來分析具有集成可編程增益放大器 (PGA) 的 ADC 的數據手冊噪聲表，以確定它是否滿足系統要求。

例如，圖 2 顯示了高達 50SPS的 24 位ADS124S08的有效和無噪聲分辨率表，其中突出顯示了目標數據速率。請注意，ADS124S08 包括從 1V/V 到 128V/V 的增益。

圖 2. ADS124S08 有效分辨率（無噪聲分辨率）——Sinc3 濾波器在 AVDD = 3.3V、AVSS = 0V、PGA 啟用、全局斬波禁用和內部 2.5V 參考電壓下

要確定此 ADC 是否滿足您的要求，您需要單獨重新計算每個增益設置的預期分辨率損失，因為每個設置都會導致不同的百分比利用率。然后，您需要將其添加到圖 2 中報告的每個相應的無噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統規格。表 2 列出了使用 ADS124S08 以 5SPS 數據速率計算的系統無噪聲分辨率（以位為單位）。

表 2 告訴您，您只能在 5SPS 下使用 32、64 或 128V/V 的增益實現所需的 14.3 位系統無噪聲分辨率。圖 3 在數據表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

圖 3. 使用 ADS124S08 以 5SPS 數據速率滿足系統要求的增益設置

圖 3 的一個關鍵要點是，沒有簡單的方法可以在不進行多次計算的情況下將數據表中的值與系統噪聲參數相關聯。雖然在計算結果后這可能與現在無關，但如果系統規格突然改變怎么辦？

假設您決定將激勵（參考）電壓從 2.5V 增加到 5V。您還將把電橋靈敏度提高到 20mV/V（這意味著您不能使用最高增益設置，因為這會超出 ADC 的范圍）。您正在探索以 20SPS 而不是 5SPS 進行采樣的選項。這些變化如何影響您的 ADC 噪聲分析？

要確定答案，您必須在新的數據速率和參考電壓下為每個增益設置計算新的分辨率損失。此外，您必須根據 5V 參考電壓重新創建圖 2 中的表格，因為該表的計算使用 2.5V 的參考電壓。最后，您必須通過從使用 5V 參考電壓創建的無噪聲分辨率表中減去計算出的分辨率損失來重新創建表 2。

誠然，這是一項大量工作，并且是無噪聲分辨率作為相對參數的直接結果。因此，讓我們現在切換到使用絕對噪聲參數，如第 2 部分中建議的那樣，看看分析如何變化。

使用輸入參考噪聲

與無噪聲分辨率一樣，您只需了解一些系統規格即可確定電橋所需的輸入參考噪聲。你需要知道它的最大輸出信號是5mV。你還需要知道這個最大信號對應的重量，即1kg。最后，您需要知道您的最小應用重量，即 50 毫克。有了這幾位信息，您可以使用公式 4 來確定您的 ADC 需要能夠解析 250nV 的峰峰值信號：

等式 4

使用輸入參考噪聲的好處之一是您不必擔心計算分辨率損失。相反，您可以直接將您的計算值與 ADC 的輸入參考噪聲表進行比較，以確定哪種設置組合可提供相同或更低水平的噪聲性能。

圖 4 是 ADS124S08 的輸入參考噪聲表的刪節版。我已經強調了提供≤250nVPP 的輸入參考噪聲的增益和數據速率設置的任何組合。

圖 4. 使用 ADS124S08 提供 ≤250nVPP 的數據速率和增益組合（注意：表中的值使用 2.5V 參考電壓作為“噪聲 μVRMS (μVPP)”給出）

如果將圖 4 中的結果與圖 3 中使用無噪聲分辨率的分析進行比較，您將看到圖 4 提供了滿足系統要求的整個 ADS124S08 設置范圍。圖 3 僅提供所選數據速率下的值，并要求您針對不同的數據速率執行新的計算，這使得這種方法不太適應系統規格的變化。

系統變化的影響

現在讓我們假設您已將最大施加重量增加到 5kg，將最小施加重量增加到 500mg，并將電橋的最大輸出信號保持在 5mV，如公式 5 所示：

等式 5

通過快速計算，您可以確定您的系統噪聲要求已放寬至 500nVPP，從而為您提供更多數據速率和增益組合。圖 5 表明，這些寬松的系統規格允許您更快地采樣（高達 20SPS）或降低增益（低至 4V/V），同時仍能實現必要的噪聲性能。

圖 5. 使用 ADS124S08 提供 ≤500nVPP 的數據速率和增益組合（注意：表中的值使用 2.5V 參考電壓作為“噪聲 μVRMS (μVPP)”給出）

如果您的體重秤需要更高的分辨率怎么辦？例如，您保持 5 公斤的最大應用重量要求，但從第一個示例中恢復到 50 毫克的最小重量。保持最大電橋輸出相同 (5mV)，您現在需要 50nVPP 的輸入參考噪聲，這是極低的。查看圖 4 或圖 5，很明顯 ADS124S08 數據速率和增益設置的組合無法提供這種級別的性能。但因為您可以使用任何 ADC 輕松執行相同的分析，只需選擇具有更好噪聲性能的一個即可。

圖 6 顯示了ADS1262的噪聲表，這是一款 32 位 ADC，其功能與 ADS124S08 類似，但具有更好的噪聲性能。綠色陰影表示提供≤50nVPP 的輸入參考噪聲的數據速率和噪聲組合，并確認 ADS1262 能夠滿足您系統的新分辨率要求。

圖 6.使用 ADS1262提供 ≤50nV PP 的數據速率和增益組合（注意：表中的值使用 2.5V 參考電壓作為“噪聲 μV RMS (μV PP )”給出）

為了論證起見，讓我們將輸入參考噪聲結果與相關參數進行比較。圖 7 突出顯示了 ADS1262 在與圖 6 所示的數據速率和增益配置相同的情況下的無噪聲分辨率性能。

圖 7.使用 AD12626 和 5V 參考電壓時與≤50nV PP相關的有效（無噪聲）分辨率

在第 2 部分中，我指出許多工程師不必要地關注最大化他們的無噪聲分辨率（動態范圍）。讓我們通過在系統要求的 5SPS 數據速率下根據最大突出顯示值計算系統的無噪聲分辨率來檢查這一點。在圖 7 中，該值為 23.5 位，可使用 Sinc4 濾波器以 16V/V 的增益獲得。

從圖 7 的標題中記住，表格計算使用的是 5V 參考電壓，而不是系統指定的 2.5V 參考電壓。為了補償這種差異，圖 6 中給出的每個分辨率值都必須減少一位。這意味著在給定條件下，您最多只能獲得 22.5 位的無噪聲分辨率。您現在可以在這些設置下計算 ADS1262 的預期分辨率損失。

使用公式 6 的結果，使用 32 位 ADC 的系統無噪聲分辨率僅為 16.5 位。

等式 6

對于許多人來說，這是一個令人沮喪的結果，似乎證實了您為 ADC 實際無法提供的性能付費的擔憂。但是，如果您查看圖 6 中的相同設置，您會發現您實際上在給定條件下利用了 48nVPP 噪聲。這是一個令人難以置信的小值，這是 16 位 ADC 和極少數 24 位 ADC 無法提供的。

最終，這就是我想要表達的觀點。您需要這樣一個高分辨率的 ADC 來實現 16.5 位的無噪聲分辨率（動態范圍），因為系統需要極低的噪聲性能。這就是為什么使用參考輸入噪聲來定義系統性能和選擇 ADC 是有意義的。

在“解析信號”系列的下一部分中，我將詳細討論有效噪聲帶寬，并深入探討如何確定進入系統的噪聲量以及限制噪聲帶寬的方法等主題。