動(dòng)態(tài)范圍（DR）是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的一個(gè)常見(jiàn)性能指標(biāo)。在無(wú)線通信和儀表測(cè)量等應(yīng)用中，這個(gè)參數(shù)尤為重要。本文將首先解釋動(dòng)態(tài)范圍的定義，然后我們將看到，為了高效利用ADC的動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)將輸入信號(hào)的幅度調(diào)整至ADC的參考電壓。

ADC動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍定義為ADC能夠可靠測(cè)量的最大值與最小值之間的比例。對(duì)于ADC來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍與用于數(shù)字化模擬信號(hào)的位數(shù)相關(guān)。以理想N位ADC為例，它能夠檢測(cè)到的最小值是一個(gè)最低有效位（LSB）。而最大值則是LSB值的2^N-1倍。因此，以分貝為單位表示時(shí)，ADC的動(dòng)態(tài)范圍將是

因此，對(duì)于一個(gè)10位的ADC，我們期望其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到60.2分貝。這意味著該ADC能夠解析的信號(hào)幅度范圍從x到大約1000x，其中x是它能夠檢測(cè)到的最小信號(hào)幅度。

為何動(dòng)態(tài)范圍如此重要：一個(gè)實(shí)例

動(dòng)態(tài)范圍在通信應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)強(qiáng)度可能會(huì)有很大變化。需要注意的是，理想的無(wú)線電設(shè)備應(yīng)該能夠可靠地接收非常微弱和非常強(qiáng)烈的信號(hào)。接收機(jī)的這一大動(dòng)態(tài)范圍在很大程度上受到接收鏈中使用的ADC動(dòng)態(tài)范圍的影響。

ADC具有特定的動(dòng)態(tài)范圍，我們通常調(diào)整接收信號(hào)的幅度，以有效利用ADC可用的動(dòng)態(tài)范圍。

將輸入信號(hào)調(diào)整至ADC的參考電壓

假設(shè)我們有一個(gè)理想的四位ADC，其參考電壓為2v。在這種情況下，ADC會(huì)使用16個(gè)離散來(lái)量化輸入信號(hào)。假設(shè)我們將x1(t) = 1v+ 1v * sin(2πf1t)這一信號(hào)應(yīng)用于該ADC，其中f1是正弦波的頻率。ADC會(huì)將輸入信號(hào)的幅度與其16個(gè)離散電平進(jìn)行比較。

基于這種比較，將生成正弦波的數(shù)字表示。例如，將輸入信號(hào)與ADC的16個(gè)離散電平進(jìn)行比較的過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致圖1中顯示的紅色曲線。在圖1中，T等于1/f1?，F(xiàn)在，將使用二進(jìn)制來(lái)表示獲得的階梯狀近似的每個(gè)電平。

舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)紅色曲線的值等于4倍的最小有效位（LSB）時(shí)，我們四位ADC的輸出將是0100。

圖1. 應(yīng)用于ADC的模擬信號(hào)（藍(lán)色）及其階梯近似（紅色）。

現(xiàn)在，假設(shè)我們使用相同的ADC來(lái)數(shù)字化x2(t) = 0.25volt + 0.25volt * sin(2πf1t)。該信號(hào)的階梯近似將如圖2所示。

圖2

請(qǐng)注意，由于ADC的參考電壓沒(méi)有改變，其最低有效位（LSB）仍然是1/8V。如圖2所示，輸入信號(hào)的最大值為4LSB，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ADC的參考電壓。你可能會(huì)說(shuō)圖2展示了我們ADC的預(yù)期功能，并沒(méi)有什么問(wèn)題。但實(shí)際上，這意味著ADC的動(dòng)態(tài)范圍并沒(méi)有得到充分利用。在實(shí)際情況中，我們通常希望輸入信號(hào)的幅度盡可能接近ADC的參考電壓，以充分利用ADC的動(dòng)態(tài)范圍。

為了更好地理解這個(gè)問(wèn)題，假設(shè)這個(gè)ADC被用在一個(gè)接收機(jī)中。在接收機(jī)的正常工作中，ADC應(yīng)該數(shù)字化圖1中所示的x1(t)信號(hào)。這就是為什么ADC的參考電壓被選擇為等于輸入模擬信號(hào)的最大值，即2v。然而，假設(shè)在某些位置，接收到的信號(hào)很弱，ADC必須數(shù)字化如圖2所示的x2(t)信號(hào)。在后一種情況下，我們僅使用4bits來(lái)數(shù)字化模擬信號(hào)，這意味著ADC的動(dòng)態(tài)范圍并沒(méi)有得到充分利用。

在圖1中，幾乎可以一眼看出紅色曲線是x1(t)的階梯近似。然而，在圖2中，我們幾乎無(wú)法辨認(rèn)出紅色曲線是正弦波形的一部分的近似。這是因?yàn)榈诙€(gè)實(shí)驗(yàn)采用了較少的位近似模擬信號(hào)。在這種情況下，大于或等于4LSB的根本沒(méi)有被利用。此時(shí)，ADC相當(dāng)于一個(gè)參考電壓為4LSB的兩位ADC。實(shí)際上，ADC的位數(shù)從圖1的四位減少到了圖2的兩位。

為了避免ADC有效位數(shù)減少的問(wèn)題，我們可以簡(jiǎn)單地將弱信號(hào)乘以四倍，并將其最大值調(diào)整到ADC的參考電壓。然后，如果系統(tǒng)后續(xù)階段需要，我們可以考慮輸入信號(hào)被額外乘以了四倍。這如圖3所示。

圖3

通常，當(dāng)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)，我們可以在ADC之前使用低噪聲可控增益放大器（VGA）。例如，如圖4所示，一個(gè)接收器在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前可能會(huì)使用VGA。VGA的增益將根據(jù)輸入信號(hào)的幅度動(dòng)態(tài)調(diào)整。這將有效地?cái)U(kuò)展VGA和ADC級(jí)聯(lián)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖4

某個(gè)datasheet中給出了一個(gè)示例，即在ADC之前放置一個(gè)VGA。如果不使用VGA，10位ADC提供的動(dòng)態(tài)范圍約為60分貝。但是，通過(guò)使用增益范圍為48分貝的低噪聲VGA，VGA和10位ADC的級(jí)聯(lián)提供的動(dòng)態(tài)范圍將超過(guò)100分貝。這一改進(jìn)使得ADC能夠處理更廣泛范圍的信號(hào)幅度，提高了系統(tǒng)的整體性能。

總結(jié)一下

在無(wú)線通信等某些應(yīng)用中，系統(tǒng)需要較大的動(dòng)態(tài)范圍。通常，所使用的ADC的動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)范圍。在這種情況下，我們可能需要在ADC之前放置一個(gè)低噪聲的可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）。VGA將放大弱信號(hào)并衰減強(qiáng)信號(hào)。通過(guò)將最大輸入信號(hào)調(diào)整到ADC的參考電壓，可以顯著提高VGA和ADC級(jí)聯(lián)的動(dòng)態(tài)范圍。這一舉措能有效提升系統(tǒng)在處理不同幅度信號(hào)時(shí)的性能。