軟件定義儀器的數(shù)字化前端和ADC 的等效分辨率

摘要： 為了給軟件定義儀器中的數(shù)字化前端的設(shè)計和選擇提供依據(jù)，提出了ADC 等效分辨率的概念。結(jié)合過采樣技術(shù)和香農(nóng)限帶高斯白噪聲信道的容量公式推導出了等效分辨率的公式，并以測量心電信號為例，采樣速率為400SPS、ADC 參考電壓為2.5 V 時，選用等效分辨率為26 位的ADC。經(jīng)實例證明，等效分辨率為ADC 的性能*估和軟件定義儀器中的數(shù)字化前端的選擇提供了一個重要參數(shù)，也為選擇軟件定義儀器提供了一個簡明的指標，有著一定的指導意義。

　　測試儀器在人類進步史上的作用不言而喻，其發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，傳統(tǒng)測試儀器結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，主要依靠手工測試，工作效率較低。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)革命浪潮出現(xiàn)的現(xiàn)代測試儀器，集計算機軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)、自動測試（ATE）技術(shù)于一身，大大提高了測試的速度和準確度，但這些儀器主要由硬件構(gòu)成，其所有功能都在出廠前以硬件的形式固化下來，用戶很難對其功能做出改變，且儀器難以升級換代，開發(fā)研制周期長，經(jīng)費投入大。文獻[5]提出的軟件定義儀器是一種基于SoC（System on Chip，單片系統(tǒng)）技術(shù)，盡可能用數(shù)字信號處理取代模擬信號處理和用戶可以方便定義與修改儀器功能的儀器，為新一代的儀器設(shè)計提出了新的思路。因此，這里提出一種軟件定義儀器，詳細介紹了該儀器的數(shù)字化前端和ADC 的等效分辨率。

　　1 軟件定義儀器

　　現(xiàn)代儀器一般都采用微處理器作為其核心控制器件，微處理器只能處理數(shù)字信號，而待測信號多為模擬信號。通常采用的方法是將被測信號模擬放大、濾波，使其信號的輸出動態(tài)范圍與參考電壓相適應， 以滿足所需要的分辨率，并抑制噪聲。在儀器儀表的研發(fā)中，模擬電路部分（傳感器接口電路＋放大濾波）和數(shù)字部分是最為重要的兩個部分，又是各個整機廠“各自”研發(fā)、投入最大、重復最多的兩個部分。軟件儀器的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　為使被測量經(jīng)過傳感器后直接進行A/D 轉(zhuǎn)換，再進行數(shù)字信號處理，就要求ADC 盡量靠近傳感器，使接收到的足夠幅度的模擬信號盡早地數(shù)字化，接下來的工作就是由軟件和數(shù)字化硬件實現(xiàn)儀器功能的定義與修改?？梢娷浖x儀器是用A/D 轉(zhuǎn)換的高分辨率換取了信號的增益，而用采樣速度來換取A/D 轉(zhuǎn)換的分辨率，A/D 轉(zhuǎn)換的精度是儀器功能由軟件定義的基礎(chǔ)。

　　軟件定義儀器的理念會為儀器的研發(fā)和生產(chǎn)帶來極大的便利，免去了很多重復性工作，也給使用者以很大的靈活空間。軟件定義儀器的基礎(chǔ)是盡可能減少模擬電路。采用ADC 的分辨率換取模擬放大器的增益不僅可以降低成本、簡化電路、提高抗干擾性能和動態(tài)范圍，還能提高儀器的靈活性和精度。

　　在通信市場中，由于新的通信標準發(fā)展迅速，經(jīng)常需要新的信號源和測量功能，所以帶來了很大的挑戰(zhàn)，為了跟上標準的發(fā)展速度，測試儀器供應商通過軟件定義無線電技術(shù)來縮短儀器開發(fā)時間。在軟件定義無線電技術(shù)中，ADC 的參數(shù)選擇中已經(jīng)討論，而本文根據(jù)香農(nóng)定理，結(jié)合過采樣技術(shù)，提出了針對所有市場測試儀器中軟件定義儀器的ADC 參數(shù)統(tǒng)一選擇的問題，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器的等效分辨率的概念， 為軟件定義儀器的數(shù)字化前端設(shè)計和ADC 的選擇提供一個簡明的指標，從而為選擇ADC 帶來方便。

　　2 ADC 的等效分辨率

　　軟件定義儀器中的數(shù)字化前端可以有3 種途徑：1）采用數(shù)字化傳感器，將模擬信號直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳入微處理器，這一點在文獻[5]中已經(jīng)做了詳細的闡述，本文不做討論；2）可通過高分辨率的ADC，如Σ-Δ 型ADC，過采樣Σ-Δ 技術(shù)使之實現(xiàn)高達24 位高分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換， 但由于這一技術(shù)的原理限制， 使得真正達到24 位分辨率時的轉(zhuǎn)換速度很低，這個缺陷使這一高精度高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器只能用于低頻信號的測量；3）采用高速中分辨率的ADC，通過過采樣將速度轉(zhuǎn)化為精度，這種方法已廣泛用于通信領(lǐng)域，在測量領(lǐng)域上也開始引起注意，但現(xiàn)有文獻沒有提及如何選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。