AD轉(zhuǎn)換器的保真度測試檢驗(yàn)純度

引言

　　對正弦波進(jìn)行精確數(shù)字化的能力是高分辨率 AD 轉(zhuǎn)換器保真度的一項(xiàng)敏感度測試。該測試需要一個(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 AD 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)雜程度來實(shí)施此項(xiàng)測試，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)低失真振蕩器通過一個(gè)放大器來驅(qū)動 AD。AD 輸出接口對轉(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。

　　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 18 位 AD 進(jìn)行有意義的測試，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，并通過一個(gè) 2.6kHz 濾波器提供輸出以驅(qū)動 AD 輸入放大器。用于 A1-A2 振蕩器的自動增益控制 （AGC） 信號由負(fù)責(zé)給整流器 A5-A6 饋電的 AC 耦合 A4 從電路輸出 （“AGC 檢測”） 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使該數(shù)值與 LT-1029 基準(zhǔn)保持平衡。驅(qū)動 Q1 的 A7 通過設(shè)定 LED 電流 （因而還包括 CdS 光電管電阻） 來閉合增益控制環(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 A7 環(huán)路閉合動態(tài)特性提出了要求。確切地說，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。

　　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。任何此類殘留噪聲都將調(diào)整振蕩器的幅度，因而引入不純分量。對帶限 AGC 信號正向通路實(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）。

　　振蕩器僅通過一次微調(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)的測量方法。嘗試采用傳統(tǒng)失真分析儀 （甚至是高級型分析儀） 來測量失真會遭遇局限性。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)動作的輪廓描繪是模糊不清的。測試中使用的 HP-339A 規(guī)定了一個(gè) 18ppm 的最小可測量失真；這張照片在拍攝時(shí)儀器的指示為 9ppm。這超過了規(guī)格指標(biāo)而且非?？梢?，因?yàn)樵跍y量失真時(shí)如果達(dá)到或接近了設(shè)備的性能極限，就會帶來顯著的不確定性2。假如要對振蕩器失真進(jìn)行有意義的測量，則必需使用不確定層非常低和精致的專業(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 3