Cuantización de ADC - ¿LSB aleatoria?

La cuantificación es un subproducto natural del proceso de muestreo y conversión; normalmente tenemos algunos circuitos frontales externos.

Prácticamente todos los ADC tendrán un muestra y espera en la parte delantera; cómo se convierte esto depende de la arquitectura específica de ADC .

Como, en última instancia, un circuito de umbral de decisión determina si un bit en particular se convierte en un 1 o un 0, la precisión de ese umbral es lo que determina dónde el cuantificador da un 1 o un 0.

No hay un circuito de 'redondeo' como tal.

Hay dos condiciones en las que un ADC puede operar. Limitado al ruido, o no limitado al ruido.

Si el ADC no tiene un límite de ruido, entonces el ADC básicamente se redondea al código más cercano. Sin embargo, esto no implica ningún circuito adicional, es una propiedad natural de cómo funciona el front-end (que puede variar mucho entre diferentes arquitecturas de ADC). En lugar de pensarlo como redondeo, puede ser mejor pensar que se trata de verificar si el voltaje está por encima del valor requerido para un código, pero no hasta el valor del siguiente código. Luego, a esos códigos se les asignan voltajes a medio camino entre los dos valores que se utilizan para la comparación.

Si un ADC tiene un ruido limitado, entonces el ruido es más grande que el LSB. El LSB, y posiblemente algunos de los bits más altos, se determinan por el ruido en el circuito o en la etapa de entrada del ADC. Esto significa que son aleatorios. Este es casi siempre el caso con ADCs de alta profundidad de bits, como los diversos diseños de 24 bits en el mercado, que incluso en condiciones perfectas es probable que funcionen mejor que 20 bits sin ruido. Sin embargo, esos bits de ruido adicionales son bastante útiles para promediar y filtrar algoritmos.

En general, los bits de un ADC están determinados por uno o más comparadores. Pueden trabajar en paralelo o de manera secuencial.

El caso más simple sería un ADC con resolución de 1 bit, que es igual a un comparador simple. El LSB, o el único bit del resultado, se determinará mediante una única comparación.

Entonces, este bit es determinista y no solo aleatorio.

Sin embargo, suponiendo un umbral de conmutación de cero voltios, la entrada a este ADC podría ser cero y, sin tener en cuenta los efectos como el desplazamiento o incluso la metaestabilidad, la salida de este ADC de 1 bit sería aleatoria porque el ruido en el circuito impactar la precisión del circuito y el comparador basaría su decisión en la tensión de ruido en la entrada del circuito. Por lo tanto, el comparador vería una señal ligeramente por encima de cero al mismo tiempo en una señal ligeramente por encima de cero en otro.

Por lo tanto, el LSB no es aleatorio per se, pero mostrará el mayor impacto de las no idealidades en el circuito.

Es interesante que un ADC de 8 o 10 bits no sea realmente de 8,10 bits o lo que sea. De hecho, su resolución efectiva es algo así como 7.8, 9.5 bits. Es exactamente por el hecho de que el LSB de algunas muestras se elige al azar. En otras palabras, se supone que todos los LSB elegidos se basan en la comparación con la referencia asociada, sin embargo, debido a las imperfecciones del circuito, se eligen al azar (y, por lo tanto, de manera incorrecta) a veces.

Un ADC de un bit como el que mencionaste, compara el valor analógico con un voltaje de umbral (elegiste 0.5), si produce el valor digital correspondiente.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Ahora, se supone que el comparador siempre funciona bien y decide la entrada analógica bruscamente. Sin embargo, debido a los problemas en el propio comparador (como el ruido de retroceso, el ruido térmico, la metaestabilidad, etc.), no funciona como se supone. En los ADC regulares con más de un bit, el LSB generalmente se determina como la forma en que lo mencionó (en comparación con un umbral), pero en el caso de un bit, hay errores que a veces hacen que el LSB sea aleatorio.