實際應用經(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雜的分數(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,、設計容限或設備調(diào)校不佳進行調(diào)整。在模擬世界和數(shù)字世界之間進行轉(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。現(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)字世界能夠應對系統(tǒng)裕量,。這一點很重要，但應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)學練習開始——真有這么簡單嗎,？

我兒子最近問了我一道數(shù)學題，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,，重復以上過程多少次后,，紙摞起來的高度可以到達月亮？

他需要推導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月球的人,，可以進行以下計算：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,。