實(shí)際應(yīng)用經(jīng)常只會用到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模擬信號范圍的一部分,。如果在應(yīng)用中只用到該范圍的一半或者四分之一,，則可以很容易地計算出有效分辨率,。但如果遇到的是一個更復(fù)雜的分?jǐn)?shù)，又該怎么辦呢,？本文將介紹在使用任何模擬信號范圍時有效分辨率的計算,。
電壓裕量
模擬系統(tǒng)通常會留出一定的裕量，以針對增益誤差,、漂移,、設(shè)計容限或設(shè)備調(diào)校不佳進(jìn)行調(diào)整。在模擬世界和數(shù)字世界之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時,，我們同樣需要在數(shù)字世界保留一定的裕量,。以0至10V的工業(yè)控制電壓為例，如果我們只允許ADC量化最大10V的電壓,，那么,，所有的下行設(shè)備必須限制在10V，否則將會丟失信息,。因此,，工業(yè)控制中通常留有5%甚至20%的裕量。
其他系統(tǒng)（例如視頻系統(tǒng)）往往在視頻信號中添加了同步信號,。1VP-P視頻信號中很可能包括700mV的有用視頻信號和300mV的同步脈沖,。如果利用12位ADC對這樣的信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，視頻本身將僅使用可用范圍的70%,，或者4096個可用代碼中只使用2867個代碼?，F(xiàn)在，如果保留5%的裕量,，則使用范圍將會更低,。
因此，在模擬和數(shù)字世界之間轉(zhuǎn)換時,，我們必須保證數(shù)字世界能夠應(yīng)對系統(tǒng)裕量,。這一點(diǎn)很重要,，但應(yīng)對裕量卻造成了有效分辨率的降低。
任意模擬范圍的有效分辨率計算
我們首先從小孩的數(shù)學(xué)練習(xí)開始——真有這么簡單嗎,？
我兒子最近問了我一道數(shù)學(xué)題,，大致內(nèi)容如下。我有一張巨大的紙,，將其剪成兩半,；我將這兩半摞在一起，那么總厚度將為原來的2倍?，F(xiàn)在,，我又將這疊紙剪成兩半，并再次將它們摞在一起,。此時的總厚度為最初單張紙的4倍,。依此類推，重復(fù)以上過程多少次后,，紙摞起來的高度可以到達(dá)月亮,？
他需要推導(dǎo)的公式與計算有效分辨率的公式非常相似，公式中使用了對數(shù),。
以電壓為0至10V,、20%裕量的工業(yè)控制為例，實(shí)際范圍為0至12V,。如果采用16位DAC,，那么0至10V信號的有效分辨率是多少（圖1）？
圖1：理想的16位DAC特性,，為系統(tǒng)設(shè)計留有容限和裕量,。
我們知道，對于R位分辨率的DAC,，其階梯數(shù)量為2R,。因此，定義N為階梯數(shù)量：
我們需要求出R,，所以需要用到對數(shù)計算,。在等式兩側(cè)取對數(shù)：
式子簡化為：
回到工業(yè)控制的例子，對于0至10V的范圍,，實(shí)際上僅使用了可用階梯數(shù)量的10/12=0.833倍,。在一個16位的系統(tǒng)中，編碼值為54613,。將該數(shù)字代入公式,，即可計算出有效分辨率：
因此，如果留出20%裕量，有效分辨率僅降低了大約0.3位,。
實(shí)際上,，就位數(shù)而言，減少的位數(shù)與原始分辨率無關(guān),。我們可以通過所用代碼與可用代碼之比得出減少的位數(shù),。
因此，在以上700mV視頻和300mV同步信號的視頻例子中,，使用了0.7倍的可用代碼：
結(jié)果損失了0.51位,。所以，在12位系統(tǒng)中的有效分辨率為11.49位,，在16位系統(tǒng)中為15.49位,。
對于那些想知道剪多少次紙后才能從地球到達(dá)月球的人，可以進(jìn)行以下計算：紙堆的高度T=p×2C,，式中：p為單張紙的厚度,，C為剪紙的次數(shù)。注意到相似性了嗎,？按照相同的方式,，我們可求解出C,，于是C=Log（T/p）/Log（2）,。
如何完成我兒子的家庭作業(yè)呢？我測得一張打印紙的厚度為0.11mm,。月球與地球的距離大約為300,，000km。因此,，我們需要剪紙的次數(shù)為Log（3×1011/0.11）/Log（2）=42次,。好，我們現(xiàn)在動手……所需的時間并不長嘛,。所需剪紙的次數(shù)少得讓人難以置信,。
本文小結(jié)
在任何進(jìn)行模擬和數(shù)字世界相互轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)中，我們都要考慮裕量,。這通常會降低系統(tǒng)的有效分辨率,。本文推導(dǎo)的公式能夠在已知模擬信號占數(shù)字范圍比例的條件下，計算出有效分辨率,。實(shí)際上,，正如示例所示，即使留出較大的裕量開銷,，所減少的ENOB也不到1位,。
