Số bit hiệu quả của ADC 14 bit

Tôi có một bộ ADC 14 bit . Tuy nhiên, nhìn vào biểu dữ liệu (xem bảng 2 trên trang 5), số bit hiệu quả (ENOB) luôn nhỏ hơn 12 bit.

Tại sao bộ giải mã của tôi tự xưng là ADC 14 bit khi nó chỉ có độ chính xác 12 bit? Điểm có hai bit thừa là gì nếu chúng là vô nghĩa?

Bạn đã bị trói!

14-bit là tiếp thị nói và phần cứng cũng cung cấp cho bạn điều đó, vì vậy họ sẽ nói bạn không có gì để phàn nàn. Ngay phía trên ENOB trong biểu dữ liệu, nó cung cấp các số SINAD (Tín hiệu cho nhiễu và méo). Đó là 72 dB và 1 bit tương ứng với mức 6 dB, do đó 72 dB thực sự là 12 bit. 2 bit thấp nhất là nhiễu.

Có thể truy xuất dữ liệu thấp hơn mức nhiễu, nhưng nó cần tương quan rất tốt, điều đó có nghĩa là nó phải rất dễ đoán.

Giả sử người ta muốn đo điện áp ổn định càng chính xác càng tốt, sử dụng ADC sẽ trả về giá trị 8 bit cho mỗi phép đo. Giả sử thêm rằng ADC được chỉ định sao cho mã N sẽ được trả về cho điện áp trong khoảng (N-0,5) / 100 và (N + 0,5) / 100 volt (ví dụ: mã 47 sẽ đại diện cho thứ gì đó trong khoảng từ 0,465 đến 0,375 vôn). Điều gì người ta muốn có đầu ra ADC nếu được cung cấp điện áp trạng thái ổn định chính xác là 0,47183 volt?

Nếu ADC luôn xuất ra giá trị đại diện cho phạm vi được xác định ở trên trong đó đầu vào rơi (47 trong trường hợp này), thì cho dù có bao nhiêu lần đọc, giá trị sẽ xuất hiện là 47. Giải quyết mọi thứ tốt hơn mức đó sẽ là Không thể nào.

Thay vào đó, giả sử rằng ADC được xây dựng sao cho giá trị "hoà sắc" ngẫu nhiên được phân phối tuyến tính từ -0,5 đến + 0,5 được thêm vào mỗi lần đọc trước khi chuyển đổi nó thành một số nguyên? Theo kịch bản đó, điện áp 47.183 volt sẽ trả về mức đọc 48, xấp xỉ 18,3% thời gian và giá trị 47 của 81,7% thời gian còn lại. Nếu một người tính trung bình 10.000 bài đọc, người ta sẽ mong đợi nó sẽ xấp xỉ 47.183. Do tính ngẫu nhiên, nó có thể cao hơn hoặc thấp hơn một chút, nhưng nó sẽ khá gần. Lưu ý rằng nếu một người đọc đủ số lần đọc, người ta có thể đạt được mức độ chính xác dự kiến ​​tùy ý, mặc dù mỗi bit bổ sung sẽ yêu cầu nhiều hơn gấp đôi số lần đọc.

Thêm chính xác một LSB của phối màu phân tán tuyến tính sẽ là một hành vi rất hay cho ADC. Thật không may, thực hiện hành vi như vậy là không dễ dàng. Nếu độ hoà sắc không được phân phối tuyến tính hoặc nếu cường độ của nó không chính xác là một LSB, thì độ chính xác thực sự có thể nhận được từ việc lấy trung bình sẽ bị giới hạn nghiêm trọng, bất kể có bao nhiêu mẫu được sử dụng. Nếu thay vì thêm một LSB ngẫu nhiên phân phối tuyến tính, người ta thêm giá trị nhiều LSB, để đạt được mức độ chính xác nhất định sẽ cần nhiều số đọc hơn yêu cầu sử dụng ngẫu nhiên một LSB lý tưởng, nhưng giới hạn cuối cùng cho độ chính xác có thể đạt được bằng cách lấy số lần đọc tùy ý sẽ ít nhạy cảm hơn với sự không hoàn hảo trong nguồn phối màu.

Lưu ý rằng trong một số ứng dụng, tốt nhất là sử dụng ADC không kết quả của nó. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp người ta quan tâm nhiều hơn đến việc quan sát các thay đổi trong các giá trị ADC hơn là chính các giá trị chính xác. Nếu nhanh chóng giải quyết sự khác biệt giữa đơn vị +3 đơn vị và mẫu tăng +5 đơn vị / mẫu quan trọng hơn việc biết liệu điện áp trạng thái ổn định có chính xác là 13,2 hoặc 13,4 đơn vị hay không, ADC không phối màu có thể tốt hơn một hoà sắc một. Mặt khác, việc sử dụng ADC hoà sắc có thể hữu ích nếu người ta muốn đo lường mọi thứ chính xác hơn một lần đọc cho phép.

Bài học bổ sung: Bạn thực sự có được 14 bit chính xác , nhưng chỉ có 12 bit chính xác .

Một cảnh báo bổ sung ... đôi khi bạn thực sự muốn ngẫu nhiên .

Ví dụ:

Trong các ứng dụng mật mã (bảo mật / xác thực), tính ngẫu nhiên "không thể đoán được" là bắt buộc. Sử dụng LSB của bộ chuyển đổi (những mức dưới mức nhiễu) là một cách nhanh chóng để tạo ra các số hoàn toàn ngẫu nhiên.

Khi phần cứng ADC có sẵn cho các mục đích khác (cảm biến và tương tự), đó là cách nhanh chóng và dễ dàng để kết nối thông tin an toàn. Bạn có thể nâng cao hiệu ứng bằng cách tối đa hóa mức tăng trên bộ khuếch đại đầu vào nếu có (nhiều MCU cung cấp tính năng như vậy) và thả nổi đầu vào.

Tính ngẫu nhiên của ADC chủ yếu xuất phát từ hai nguyên tắc vật lý: nhiễu lượng tử hóa và nhiễu nhiệt.

Những hiệu ứng này có một ngưỡng ở cấp độ vĩ mô. Ví dụ, các số cách xa ranh giới bit không cần phải làm tròn và do đó không gặp phải lỗi lượng tử hoặc ngẫu nhiên. Nhiễu nhiệt không ảnh hưởng đến các bit quan trọng hơn trong chuyển đổi trong hầu hết các kịch bản.

Bằng cách mở rộng, bạn có thể thấy rằng việc thay đổi các tham số chuyển đổi (thời gian lấy mẫu, độ sâu, tốc độ, điện áp tham chiếu) sẽ có hiệu lực thay đổi tính ngẫu nhiên của kết quả bằng cách di chuyển ngưỡng ngẫu nhiên (tăng hoặc giảm bằng cách giảm ngưỡng bằng cách giảm ngưỡng ). Hiệu ứng tương tự được thực hiện bằng cách thay đổi các thông số môi trường / hệ thống (nhiệt độ, nguồn điện, v.v.).

Điều đó nói rằng, nhiều bộ tạo số ngẫu nhiên phần cứng thương mại thành công dựa trên kỹ thuật này bởi vì các hiệu ứng bên ngoài, chỉ làm giảm tính ngẫu nhiên - chúng không có nghĩa là loại bỏ nó (không thể thực hiện được).

Bạn có thể bù cho việc giảm tính ngẫu nhiên bằng cách thực hiện nhiều chuyển đổi hơn và nối thêm kết quả. Quá trình mở rộng bit này (ghép các bit thấp của chuyển đổi liên tiếp) được sử dụng trong STM32 Nucleo Dongles, FST-01 (bao gồm NeuG 1.0), họ thiết bị Grang của LE Tech và nhiều thiết bị khác.

Các thiết bị Grang tạo bit bằng cách chuyển đổi với hơn 400 triệu chuyển đổi mỗi giây (1 bit cho mỗi chuyển đổi). Nếu bạn thực hiện đủ chuyển đổi, bạn có thể đảm bảo tính ngẫu nhiên cao ngay cả khi đối mặt với các điều kiện môi trường.