Signal

ADC 양자화 노이즈 계산기

아날로그-디지털 변환기 설계를 위한 ADC 양자화 노이즈, 이론적 SQNR, ENOB, 동적 범위 및 노이즈 스펙트럼 밀도를 계산합니다.

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공식

SQNR = 20\log_{10}(2)\cdot N + 10\log_{10}\!\left(\tfrac{3}{2}\right) \text{ dB}, \quad LSB = \frac{V_{ref}}{2^N}

N— ADC 해상도 (bits)

SQNR— 신호 대 양자화 잡음비 (dB)

LSB— 최하위 비트 전압 (V)

V_ref— ADC 레퍼런스 전압 (V)

작동 방식

양자화 노이즈 계산기는 ADC 선택, 데이터 수집 시스템 설계 및 오디오/비디오 코덱 개발에 필수적인 아날로그-디지털 변환기의 신호 대 양자화 잡음비 (SQNR) 및 LSB 전압을 계산합니다.DSP 엔지니어, 임베디드 시스템 설계자 및 계측 전문가는 이를 사용하여 ADC 해상도를 애플리케이션 요구 사항에 맞춥니다.Kester “데이터 변환 핸드북" (아날로그 디바이스) 에 따르면, 양자화 노이즈는 연속 진폭을 이산 레벨로 반올림할 때 발생합니다.정확한 SQNR 공식은 20*log10 (2) *N + 10*log10 (1.5) = 6.0206*N + 1.761dB이며, 여기서 N은 비트 해상도입니다.16비트 ADC는 98.09dB SQNR을 달성하는데, 이는 AES17 표준에 따른 CD 품질 오디오에 충분합니다.비트를 추가할 때마다 SQNR이 정확히 6.02dB 향상되고 진폭 해상도가 두 배로 향상됩니다.5V 레퍼런스의 경우 12비트 ADC는 1.22mV LSB를 지원하는 반면 24비트는 298nV LSB를 지원하므로 과학 기기에서 마이크로볼트 수준의 정밀도가 가능합니다.

계산 예제

80dB 다이나믹 레인지가 필요한 10uV 노이즈 플로어를 갖춘 100mV 풀스케일 센서의 ADC 해상도를 선택하십시오.1단계: 필수 SQNR >= 80dB 이상+6dB 마진 = 86dB.2단계: N: 6.02*N + 1.76 >= 86을 구하여 N >= 14.0비트를 구합니다.3단계: 12dB 마진을 위해 16비트 ADC (98.09dB SQNR) 를 선택합니다.4단계: LSB = 100mV/65536 = 1.53 uV — 센서 노이즈 플로어보다 훨씬 낮습니다.5단계: 확인: 양자화 노이즈 = 100mV/ (sqrt (12) * 65536) = 0.44 uV RMS, 센서 노이즈가 의도한 대로 제한됩니다.아날로그 디바이스 MT-001 기준 ADC는 전체 시스템 소음의 5% 미만을 차지합니다.

실용적인 팁

✓IEEE 1241-2010에 따라 잡음 제한 작동을 위해 SQNR이 신호 동적 범위보다 10-20dB 높은 ADC를 선택하십시오.
✓디더링 (0.5-1 LSB 노이즈 추가) 을 사용하여 양자화 노이즈를 역연관시키고 Kester당 유휴 톤을 제거합니다.
✓오디오 애플리케이션의 경우 16비트는 AES17-2015 전문 오디오 표준을 충족하는 96dB 다이나믹 레인지를 제공합니다.
✓24비트 ADC는 이론상 SQNR을 144dB로 달성하지만 열 잡음은 실제 ENOB를 18-20비트로 제한합니다.

흔한 실수

✗정확한 6.0206N+1.761 대신 근사 SQNR 공식 6N+1.76을 사용하면 IEEE 1241당 16비트에서 0.3dB 오류가 발생합니다.
✗샘플링 속도가 높으면 양자화 노이즈가 개선된다고 가정 — 오버샘플링은 노이즈 쉐이핑에만 도움이 된다고 슈라이어는 “델타-시그마 데이터 컨버터에 대한 이해”에 따르면
✗ADC 기준 전압 허용 오차 무시 — 0.1% Vref 오류는 모든 변환에 0.1% 게인 오류를 추가합니다.

자주 묻는 질문

양자화 노이즈란 무엇입니까?

아날로그 진폭을 가장 가까운 디지털 레벨로 반올림하는 중 오류가 발생했습니다.±0.5LSB에 균일하게 분포되어 있는 경우, RMS 값 = LSB/sqRT (12) = 0.289*LSB.레퍼런스가 4.096V인 12비트 ADC의 경우 LSB는 1mV이고 양자화 노이즈는 289uV RMS입니다.Widrow & Kollar에 따르면 디더링을 제대로 하면 화이트 노이즈로 나타납니다.

비트 해상도는 양자화 노이즈에 어떤 영향을 미칩니까?

비트를 추가할 때마다 양자화 노이즈 전압이 절반으로 줄어들고 SQNR이 6.02dB 향상됩니다. 8비트: 50.1 dB SQNR. 12비트: 74.0 데시벨. 16비트: 98.1 데시벨. 24비트: 146.2 데시벨.케스터에 따르면 실제 열 잡음은 24비트 ADC를 최대 120dB 실제 SNR (20비트 ENOB) 으로 제한합니다.

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