5 電壓參考雜訊如何影響無雜訊解析度

雖然 ENOB 大致上能代表 ADC 輸出的解析度，但它並不考慮 DC 性能。為了解來自 DC 輸入的雜訊對 ADC 解析度的影響，建議您找出電路的無雜訊解析度。使用 方程式 4 時，您可以觀察 ADC 數位輸出最低有效位元 (LSB) 數量中的程式碼散播，來計算無雜訊解析度，同時測量 DC 訊號：

為強調參考雜訊對系統精密性能的影響，我和同事使用 REF70 (具有 0.23ppm_p-p 閃爍雜訊) 和 REF50 (具有 3ppm_p-p 閃爍雜訊)，針對指定訊號鏈進行 DC 程式碼散播測試。REF50 和 REF70 都是搭配高精度 ADC 使用的高精度電壓參考，並具有不同的 DC 特性。不過，此演練的目標只是比較這些裝置在訊號鏈電路中的雜訊性能。

設計使用電壓位準接近 ADS8900B 20 位元 SAR ADC 全刻度範圍的穩定 DC 來源電池，以 20kSPS 進行資料擷取。以增益 = 1 使用 OPA2320 來驅動 ADS8900B 輸入。此 ADC 整合了參考緩衝器驅動器，因此不需要選用的參考緩衝器。在電壓參考的輸出上放置簡易電阻器電容器低通濾波器，可進一步降低電壓參考的雜訊。圖 3 顯示這些測試使用的設定。

圖 3 下列無雜訊解析度測試使用的電路。

電壓參考旁的訊號鏈元件也有閃爍雜訊，將成為最終程式碼散播的一部分。因為訊號鏈只在不同參考情況下會維持不變，所以對性能數值的影響一定僅來自電壓參考雜訊。

高精度系統運用資料處理技術來改善精確度並提升整體解析度。在此實驗中，我們透過把輸出乘以 16，將來自 ADS8900B 的 20 位元原始資料轉換為 24 位元長度。不同的有限脈衝反應 (FIR) 濾波器處理了轉換的 24 位元資料。在輸入值有變化的情況下，FIR 濾波器易於實作，並且穩定速度更快。輸出資料速率維持在 20kSPS，但延遲則由濾波器特性定義。

在 24 位元位準下，REF50 和 REF70 的雜訊 (以及精準度) 幾乎類似，整體雜訊受訊號鏈及其高頻寬雜訊影響。平均程式碼值的差異是因為參考電壓差，一種可透過校正消除的準確度規格。這些結果可在圖 4 和圖 5 中看到。

圖 4 REF50 雜訊 = 3ppm_p-p 的結果。

圖 5 REF70 雜訊 = 0.23ppm_p-p 的結果。

我們使用 Octave 工具以三種不同的數位濾波器對原始資料進行後處理：

• 1,024 分接頭移動平均濾波器。
• 801 分接頭 17Hz 低通濾波器。
• 455 分接頭 36Hz 低通濾波器。

圖 6 顯示這些濾波器的濾波器反應。

圖 6 數位濾波器反應。

圖 7、圖 8 和 圖 9 說明數位過濾器對程式碼散播的影響。

圖 7 1,024 分接頭過濾器直方圖。

圖 8 455 分接頭過濾器直方圖。

圖 9 801 分接頭過濾器直方圖。

您可以使用 方程式 4 輕鬆比較 REF50 和 REF70 與各項濾波器數據對 ADC 解析度的影響。這些測試的結果總結於 表 1。

這項比較顯示，在最高精度應用中，REF70 計算無雜訊解析度的性能比 REF50 更佳，這主要是因為裝置在閃爍雜訊位準上有差異。根據使用 REF70 時減少程式碼散播的情況，可知其超低雜訊在高精度應用中能提供近 2 位元解析度的優勢。此外可以發現，使用低雜訊參考既能用快速 455 分接頭濾波器，同時仍維持高無雜訊解析度。低電壓參考閃爍雜訊會降低程式碼散播，進而達到更高的無雜訊解析度。如同 ENOB，雜訊是為低無雜訊解析度設計訊號鏈時的重要考量事項。