技术专题 / 测量与统计

静止时一位不跳,角度为什么仍有量化误差?

从双通道量化推导角度误差,说明整圈RMS、单点偏差与多1.65位的适用条件。

核对于 2026.10.24

把正余弦送进ADC,停止转轴,输出角度可以一位不跳。但这只说明同一输入一直得到同一个数字,不说明它与真实角度一致。

设 x=Acos⁡(2πu)x=A\cos(2\pi u)、y=Asin⁡(2πu)y=A\sin(2\pi u),uu 以圈计,AA 是每路峰值。两路按相同电压步距 qq 舍入量化,没有削波。小误差线性化得到:

δu≈−sin⁡(2πu)δx+cos⁡(2πu)δy2πA. \delta u\approx\frac{-\sin(2\pi u)\delta x+\cos(2\pi u)\delta y}{2\pi A}.

这是NIST一阶不确定度传播在atan2上的直接应用。

平均模型和单点上界不同

若两路量化误差可近似为互不相关的均匀分布,各自RMS为 q/12q/\sqrt{12},则角度RMS为:

σu≈q2π12A. \sigma_u\approx\frac{q}{2\pi\sqrt{12}A}.

但固定角度、无模拟噪声时,两路量化误差也是固定值,时间平均不会消掉。按每路舍入误差不超过 q/2q/2 求得的一阶界为 ∣δu∣≲q/(2π2A)|\delta u|\lesssim q/(2\pi\sqrt2 A)。它是前述RMS的 6\sqrt6 倍;这是边界估算,不保证扫每个角度都恰好达到。

合成设 A/q=2048A/q=2048:RMS约 2.24×10−52.24\times10^{-5} 圈,换成角秒约29.1″;一阶最坏界约71.2″。这些是电信号相位对应的角度,折算机械角还需明确每圈有多少电周期。

1.65位从哪里来

定义一把等RMS的角度数字尺,使其步距 qu=12σu=q/(2πA)q_u=\sqrt{12}\sigma_u=q/(2\pi A)。若理想N位双极ADC恰好满幅,A/q≈2N−1A/q\approx2^{N-1},这把尺的位数为 −log⁡2qu≈N+log⁡2π-\log_2q_u\approx N+\log_2\pi,即多约1.65位。

这个数依赖满幅、量化模型和“等RMS位数”定义,不是芯片准确度,也不自动等于按频谱测得的ENOB。ADI MT-001特别说明量化误差不总与输入无关。

这个推导还有两个容易漏掉的边界。第一,A是每路峰值,不是峰峰值;误填两倍幅值,会把预计角度误差低估一半。第二,q与A必须使用同一电压或ADC码单位。只有一条通道满幅、另一条已经削波时,不能继续按同一个A套公式。

增大幅度通常能缩小量化项,但不能无限加增益。输入接近电源轨、ADC满量程或前级压缩区以后,削波引入的是确定失真,平均不会恢复被截掉的波形。验证幅度收益时,先检查两路各自的最小值、最大值和削波计数,再看角度。这样才能区分“数字尺子更细”和“模拟波形已变形”。

实际验证可先扫整圈,保存原始x/y和角度误差,再固定几个角度重复采样。分别比较空间RMS和时间标准差;加入模拟噪声或再次截位后,重新核对误差相关性,不能继续默认同一模型。

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