在現(xiàn)代電子測量系統(tǒng)中，傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)扮演著極為關鍵的角色。傳感器負責將各類物理量精準轉(zhuǎn)換為電信號，而 ADC 則承擔著把模擬信號轉(zhuǎn)換為便于后續(xù)處理的數(shù)字信號的重任。在這一過程中，傳感器輸出的噪聲以及 ADC 的分辨率成為左右系統(tǒng)測量精度的核心要素，尤其是傳感器輸出最大噪聲與 ADC 最小分辨率 1LSB 之間，存在著千絲萬縷、錯綜復雜的聯(lián)系，深度剖析這種關聯(lián)，對優(yōu)化系統(tǒng)性能意義非凡。

傳感器種類繁多，常見的如溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器等，其產(chǎn)生噪聲的機制各不相同，總體而言，主要涵蓋熱噪聲、1/f 噪聲、散粒噪聲等。

熱噪聲源于傳感器內(nèi)部載流子的熱運動，在整個頻率范圍內(nèi)，其功率譜密度呈現(xiàn)均勻分布的態(tài)勢，并且與溫度以及傳感器等效電阻緊密相關，遵循公式Vnth=4kTRB，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，R為等效

電阻，為帶寬。舉例來說，在一個高精度的溫度傳感器中，室溫環(huán)境下，熱噪聲或許處于微伏級別。

1/f 噪聲主要集中在低頻段，其功率譜密度與頻率成反比，通常由材料特性以及制造工藝所決定。在眾多傳感器，特別是半導體傳感器里，當應用于低頻場景時，1/f 噪聲不容小覷。

散粒噪聲是由于載流子的離散性引發(fā)的，當電流流經(jīng)傳感器，載流子隨機發(fā)射從而產(chǎn)生噪聲，其大小與平均電流和帶寬相關，表達式為Insh=2qIavgB，其中q為電子電荷量，Iavg為平均電流。這些噪聲在傳感器輸出端表現(xiàn)為疊加在有用信號上的隨機波動，噪聲大小一般以電壓或電流的均方根(RMS)值來衡量。

ADC 的核心功能是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，這一過程包括采樣、保持以及量化編碼。采樣是在特定時刻對模擬信號進行取值，保持則確保在量化編碼過程中采樣值穩(wěn)定不變，量化編碼是將采樣保持后的模擬值映射為對應的數(shù)字代碼。

ADC 的分辨率決定了其能夠區(qū)分的最小模擬信號變化量，以二進制位數(shù)表示，例如 8 位、12 位、16 位等。最小分辨率 1LSB 指的是 ADC 輸出數(shù)字代碼中最低有效位所對應的模擬信號變化量。假設一個滿量程輸入為VFS的 N 位 ADC，其 1LSB 的大小為LSB=2NVFS。例如，一個 12 位 ADC，滿量程輸入為 5V，則LSB=2125V≈1.22mV。這表明該 ADC 理論上能夠分辨出輸入信號中 1.22mV 的變化，然而在實際情況中，受多種因素干擾，其有效分辨率往往低于理論值。

當傳感器輸出噪聲偏大時，若噪聲幅度逼近甚至超越 ADC 的 1LSB，那么 ADC 在對模擬信號進行量化時，噪聲會致使量化誤差顯著攀升。例如，若傳感器輸出噪聲的 RMS 值為 0.5LSB，在 ADC 量化過程中，噪聲會讓量化結(jié)果變得不確定，原本可能對應某一精確數(shù)字代碼的模擬信號，由于噪聲干擾，極有可能被錯誤地量化為相鄰的代碼，進而降低了系統(tǒng)的有效分辨率。在極端情形下，當噪聲超過 1LSB 時，ADC 可能完全無法精準分辨模擬信號的細微變化，使得測量精度急劇惡化。

從另一個角度來看，ADC 的分辨率也會影響對傳感器輸出噪聲的感知。高分辨率 ADC 具有較小的 1LSB，能夠更精確地對模擬信號進行量化，包括噪聲部分。這意味著高分辨率 ADC 能夠捕捉到傳感器輸出中更細微的噪聲變化，即使噪聲幅度相對較小。相反，低分辨率 ADC 由于 1LSB 較大，對于幅度小于 1LSB 的噪聲可能無法有效區(qū)分，噪聲在其量化過程中可能被 “掩蓋” 或平均化。例如，一個 8 位 ADC 的 1LSB 相對較大，對于一些微弱的傳感器噪聲，它可能將噪聲與有用信號一起簡單地量化為某一數(shù)字代碼，而 16 位 ADC 則能夠更細致地呈現(xiàn)出噪聲的波動情況。

在信號調(diào)理電路中，合理設計低通濾波器，能夠有效濾除傳感器輸出信號中的高頻噪聲，同時選用低噪聲運算放大器對信號進行放大，避免引入額外噪聲。

在滿足系統(tǒng)測量精度要求的前提下，不宜盲目追求過高分辨率，因為高分辨率 ADC 往往成本更高且對噪聲更敏感。同時，可采用過采樣技術，即對模擬信號進行高于奈奎斯特頻率的采樣，然后對多個采樣值進行平均處理，通過這種方式可以降低噪聲的影響，提高有效分辨率。例如，對一個信號進行 4 倍過采樣并平均，理論上可將噪聲降低一半，從而在一定程度上彌補因傳感器噪聲導致的分辨率損失。

綜上所述，傳感器輸出最大噪聲與 ADC 最小分辨率 1LSB 相互影響，在設計電子測量系統(tǒng)時，必須充分考慮二者關系，通過合理選擇傳感器和 ADC，并采取有效的優(yōu)化措施，才能實現(xiàn)高精度的測量。