A→D 轉(zhuǎn)換器的保真度測(cè)試

引言

對(duì)正弦波進(jìn)行精確數(shù)字化的能力是高分辨率 A→D 轉(zhuǎn)換器保真度的一項(xiàng)敏感度測(cè)試。該測(cè)試需要一個(gè)具接近 1ppm 殘留失真分量的正弦波發(fā)生器。此外，還需要一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的 A→D 輸出監(jiān)視器，用于讀取和顯示轉(zhuǎn)換器輸出頻譜成分。若想以合理的成本和復(fù)雜程度來(lái)實(shí)施此項(xiàng)測(cè)試，就必需進(jìn)行其元件的設(shè)計(jì)并在使用之前完成性能驗(yàn)證。

概要

圖 1 給出了系統(tǒng)的示意圖。一個(gè)低失真振蕩器通過(guò)一個(gè)放大器來(lái)驅(qū)動(dòng) A→D。A→D 輸出接口對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行格式化，并與負(fù)責(zé)執(zhí)行頻譜分析軟件和顯示結(jié)果數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

圖 1：A→D 頻譜純度測(cè)試系統(tǒng)方框圖。假設(shè)采用了一個(gè)無(wú)失真的振蕩器，由計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)顯示因放大器和 A→D 失真產(chǎn)生的富里葉 (Fourier) 分量

振蕩器電路

振蕩器是系統(tǒng)中難度最大的電路設(shè)計(jì)部分。為了對(duì) 18 位 A→D 進(jìn)行有意義的測(cè)試，振蕩器的不純度必須超低，而且這些特性必須采用獨(dú)立的方法加以驗(yàn)證。圖 2 基本上是一款“全反相”2kHz 維氏 (Wien) 電橋設(shè)計(jì) (A1-A2)，其在哈佛大學(xué) Winfield Hill 所做研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行。原始設(shè)計(jì)的 J-FET 增益控制被一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)的 CdS 光電管隔離器所替代，從而消除了由 J-FET 電導(dǎo)率調(diào)制引起的誤差，同時(shí)也就不必為最大限度地減少這些誤差而進(jìn)行微調(diào)。限帶的 A3 負(fù)責(zé)接收 A2 輸出和 DC 失調(diào)偏置，并通過(guò)一個(gè) 2.6kHz 濾波器提供輸出以驅(qū)動(dòng) A→D 輸入放大器。用于 A1-A2 振蕩器的自動(dòng)增益控制 (AGC) 信號(hào)由負(fù)責(zé)給整流器 A5-A6 饋電的 AC 耦合 A4 從電路輸出 (“AGC 檢測(cè)”) 獲取。A6 的 DC 輸出表示電路輸出正弦波的 AC 幅度。利用終接至 AGC 放大器 A7 的電流求和電阻器來(lái)使該數(shù)值與 LT?1029 基準(zhǔn)保持平衡。驅(qū)動(dòng) Q1 的 A7 通過(guò)設(shè)定 LED 電流 (因而還包括 CdS 光電管電阻) 來(lái)閉合增益控制環(huán)路，從而穩(wěn)定振蕩器輸出的幅度。盡管這會(huì)衰減 A3 和輸出濾波器的帶限響應(yīng)，但從電路的輸出獲得增益控制反饋信息可保持輸出幅度。另外，它還對(duì) A7 環(huán)路閉合動(dòng)態(tài)特性提出了要求。確切地說(shuō)，A3 的頻帶限制與輸出濾波器 A6 的滯后及紋波抑制組件 (在 Q1 的基極中) 相組合，可產(chǎn)生顯著的相位延遲。A7 上的一個(gè) 1μF 主極點(diǎn)和一個(gè) RC 零點(diǎn)一起提供了該延遲，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的環(huán)路補(bǔ)償。這種方法用簡(jiǎn)單的 RC 滾降濾波器取代了嚴(yán)密調(diào)諧的高階輸出濾波器，從而在保持輸出幅度的同時(shí)最大限度地降低了失真1。

圖 2：維氏電橋 (Wien Bridge) 振蕩器在信號(hào)通路中采用反相放大器，可實(shí)現(xiàn) 3ppm 失真。LED 光電管取代了常用的 J-FET 作為增益控制器，從而消除了電導(dǎo)率調(diào)制所引起的失真。與 A3 相關(guān)的濾波衰減通過(guò)在電路輸出端檢測(cè) AGC 反饋來(lái)補(bǔ)償。DC 失調(diào)施加偏壓使輸出進(jìn)入 A→D 輸入放大器范圍

從 LED 偏置中消除與振蕩器有關(guān)的分量是保持低失真的關(guān)鍵。任何此類(lèi)殘留噪聲都將調(diào)整振蕩器的幅度，因而引入不純分量。對(duì)帶限 AGC 信號(hào)正向通路實(shí)施了很好的濾波，而且 Q1 基極中的大 RC 常數(shù)提供了最終的陡峭滾降。如圖 3 (Q1 的發(fā)射極電流) 所示，振蕩器相關(guān)紋波在 10mA 的總電流中約為 1nA (小于 0.1ppm)。

圖 3：振蕩器 (掃跡 A) 相關(guān)的殘留噪聲 (掃跡 B)，在 Q1 發(fā)射極噪聲中僅依稀可看到 (≈ 1nA，大約為 LED 電流的 0.1ppm)。利用大量 AGC 信號(hào)通路濾波獲得的特性可避免調(diào)制分量影響光電管響應(yīng)

振蕩器僅通過(guò)一次微調(diào)便實(shí)現(xiàn)了其性能。該調(diào)整 (其確定了 AGC 捕獲范圍的中心) 是按照原理圖注釋設(shè)定的。

驗(yàn)證振蕩器失真

驗(yàn)證振蕩器失真需要采用精細(xì)的測(cè)量方法。嘗試采用傳統(tǒng)失真分析儀 (甚至是高級(jí)型分析儀) 來(lái)測(cè)量失真會(huì)遭遇局限性。圖 4 示出了振蕩器輸出 (掃跡 A) 及其在分析儀輸出端上的殘留失真指示 (掃跡 B)。在分析儀的噪聲層和不確定性層中，振蕩器相關(guān)動(dòng)作的輪廓描繪是模糊不清的。測(cè)試中使用的 HP-339A 規(guī)定了一個(gè) 18ppm 的最小可測(cè)量失真；這張照片在拍攝時(shí)儀器的指示為 9ppm。這超過(guò)了規(guī)格指標(biāo)而且非?？梢桑?yàn)樵跍y(cè)量失真時(shí)如果達(dá)到或接近了設(shè)備的性能極限，就會(huì)帶來(lái)顯著的不確定性2。假如要對(duì)振蕩器失真進(jìn)行有意義的測(cè)量，則必需使用不確定層非常低和精致的專(zhuān)業(yè)型分析儀。規(guī)定了 2.5ppm 總諧波失真 + 噪聲 (THD + N) 限值 (典型值為 1.5ppm) 的 Audio Precision 2722 提供了圖 5 中的數(shù)據(jù)。如該圖所示，總諧波失真 (THD) 為 -110dB，即大約 3ppm。圖 6 (使用相同的儀器獲得) 示出的 THD + N 為 105dB，即 5.8ppm 左右。在圖 7 所示的最終測(cè)試中，分析儀確定了振蕩器的頻譜成分 (以三次諧波為主導(dǎo)，位于 -112dB，即大約 2.4ppm)。這些測(cè)量值使人們有信心把該振蕩器應(yīng)用于 A→D 保真度特性分析中。

圖 4：HP-339A 失真分析儀在其分辨率限值范圍外工作會(huì)給出有誤導(dǎo)的失真指示 (掃跡 B)。分析儀輸出包含了振蕩器和儀器特征的不確定組合，不可作為判定依據(jù)。掃跡 A 是振蕩器輸出

圖 6：AP-2722 分析儀測(cè)得的振蕩器 THD + N ≈ -105dB，大約 5.8ppm

圖 7：AP-2722 頻譜輸出顯示三次諧波的峰值為 -112.5dB，≈ 2.4ppm

A→D 測(cè)試

A→D 測(cè)試通過(guò)其輸入放大器將振蕩器輸出發(fā)送至 A→D。此項(xiàng)測(cè)試測(cè)量了由輸入放大器 / A→D 組合所產(chǎn)生的失真分量。A→D 輸出由計(jì)算機(jī)來(lái)檢查，計(jì)算機(jī)將以定量的方式把頻譜誤差分量指示在圖 8 的顯示界面中3。該顯示界面包含了時(shí)域信息 (其示出了集中于轉(zhuǎn)換器工作范圍內(nèi)的偏置正弦波)、一個(gè)富里葉變換 (指示了頻譜誤差分量) 和詳細(xì)的表列讀數(shù)。被測(cè)試的 LTC?2379 18 位 A→D / LT6350 放大器組合產(chǎn)生了 -111dB (約 2.8ppm) 的二次諧波失真，而較高頻率的諧波則遠(yuǎn)低于該水平。這表明 A→D 及其輸入放大器處于正確的運(yùn)作狀態(tài)和規(guī)格范圍之內(nèi)。要想實(shí)現(xiàn)振蕩器與放大器 / A→D之間的諧波消除，則必需測(cè)試多個(gè)放大器 / A→D 樣本以增加測(cè)量的置信度4。

圖 8：圖 1 所示測(cè)試系統(tǒng)的部分顯示包括時(shí)域信息、富里葉頻譜曲線(xiàn)圖以及詳細(xì)的表列讀數(shù) (針對(duì)由 LT6350 放大器驅(qū)動(dòng)的 LTC2379 18 位 A→D)

注 1：這有點(diǎn)類(lèi)似于使食物通過(guò)絞肉機(jī)來(lái)制作濃湯。

注 2：在或接近設(shè)備性能限制的條件下進(jìn)行的失真測(cè)量充滿(mǎn)了令人不快的驚訝。請(qǐng)參見(jiàn)《LTC 應(yīng)用指南 43》 “橋式電路” (Bridge Circuit) 附錄 D “了解失真測(cè)量”(Understanding Distortion Measurements)，作者是 Audio Precision 公司的 Bruce Hofer。

注 3：凌力爾特提供了測(cè)試所必需的輸入放大器 / A→D 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和時(shí)鐘電路板。軟件代碼可登錄 www.linear.com.cn 網(wǎng)站下載。詳情請(qǐng)見(jiàn)附錄 A “用于A→D 保真度測(cè)試的工具”。

注 4：相關(guān)注釋請(qǐng)仔細(xì)研究正文部分中的“驗(yàn)證振蕩器失真”和腳注 2。

附錄 A

用于 A→D 保真度測(cè)試的工具

可提供用于實(shí)施正文所述之 A→D 測(cè)試的電路板。表 1 列出了電路板功能及其產(chǎn)品型號(hào)。另外，計(jì)算機(jī)軟件 PScopeTM 也可從凌力爾特獲取或訪(fǎng)問(wèn) www.linear.com.cn 網(wǎng)站下載。

* 可以使用任何能夠驅(qū)動(dòng) 50Ω 負(fù)載的穩(wěn)定、低相位噪聲 3.3V 時(shí)鐘。