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[原创] Analog Discovery 2 测评(5) 采集系统硬件分析

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五彩晶圆(初级)

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发表于 2019-11-30 21:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 cruelfox 于 2019-11-30 21:43 编辑

  上一篇帖子 Analog Discovery 2 测评(4) 时域测试也可玩花样 主要展示了Analog Discovery 2作为“虚拟示波器”的用法,它的软件可以在看波形同时看 X-Y 视图、FFT分析等,具有高级示波器的功能。

 

  不论是虚拟示波器还是网络分析仪,都需要采样率足够快的模拟/数字转换器(ADC)用于采集信号。ADC最基本的规格包括采样率(每秒多少次采样)和量化位数(转换出来的数字值位数)两个。采样率越高,能捕捉的信号的频率越高;量化位数越高,信号在电压尺度上能分辨得越精细。例如电子秤用的ADC,成本低却可以做到24-bit量化位数,能分辨微弱的电压变化,但只能用于缓慢变化的信号。又例如最普遍的数字示波器用的ADC,采样率达到1G/s, 但量化仅为8-bit(相当于一把尺子刻度只有256个)。又例如单片机内置的ADC,采样率常见的有几万次每秒到几百万次每秒,量化位数是10-bit或12-bit. 根据 Nyquist 定理,要采样后能重建一个信号,至少需要采样率大于信号频率的两倍。作为一个采集仪器,选择什么ADC首先就限定了可用的频率范围。

  Analog Discovery 2 使用的ADC是ADI AD9648,这是一片双路12-bit, 105Msps或125Msps的低功耗ADC.

adi.PNG   Analog Discovery 2 将它用在固定的100Msps,  与DAC的转换时钟同步。这意味着Analog Discovery 2可以处理最大接近50MHz的模拟信号,不过这仅是理论上的,还要考虑其它制约。ADC本身的14-bit量化相当于16384个刻度(模拟信号采成数字信号以后就等于是一个个台阶了),如果满量程是2V的话刻度就是0.122mV. 作为对比,请考虑到常用的数字示波器只有8-bit量化,在满量程2V下刻度是7.8mV.(功能相似的ADALM2000, 采用的是ADI AD9963作为ADC,量化位数为12-bit,若在2V满量程下刻度是0.488mV,比Analog Discovery 2“粗糙”了4倍,但毕竟价格上便宜了很多。)

  这说的仅仅是ADC的极限性能。现实中的ADC并不是理想的,主要表现在非线性(好比一把尺子每个格子的大小不完全一样)和噪声(哪怕输入是恒定电压,转换得到的值也有波动)两方面。那么AD9648的性能呢?上图中的两行写明了:

  SNR = 74.5 dBFS @70MHz

  SFDR = 91 dBc @70MHz
  这是两个关键指标,ADC的性能如何也就看这里了。14-bit采样系统的信噪比极限是86dB,74.5dB说明AD9648的综合噪声大约是量化噪声的4倍。SFDR则暗示了用于谱分析的时候,谐波成分幅度超过多少以上才是可信的。这里的两个指标若拿来和当今音频主流用的ADC对比会显得很差,但是这是100MHz的ADC,不可相提并论。我查了几款规格相似的ADC的数据表,AD9648的性能一点都不弱。

 

  到这里为止谈的也还只是ADC,而个仪器的模拟输入性能还要受到前端放大电路、时钟电路、电源等部分的影响。哪怕ADC芯片SNR最高有74.5dBFS,实际模拟信号进来到转换成数字信号多少也会被增加一些噪声。在Analog Discovery 2的手册中,并没有标示SNR这个指标。

  既然我已经有了它,简单测一下不难。我没有高级信号发生器,就把模拟输入短路测下噪声吧。

inputnoise.PNG   用软件的Scope模式观察输入,可见量化后的数字信号是岁机跳动的。这个捕捉范围电压量程是-2.5V到2.5V,每格0.305mV, 噪声的跨度(信号波动范围)大约是4mV. 若要追求“无抖动”的测量,且只采样一次的话,那么整体的精度大概就是千分之一了(相当于有效分辨率10-bit)——可是拿100Msps的系统来就采一次,谁会这么用呢。

  还得看信噪比。用软件的测量功能,读得噪声电压(rms值)是大约0.9mV,推算信噪比为 65.9dB (假定输入满幅正弦信号时噪声不会再增加)。这是系统输入的极限信噪比,比ADC的性能明显又下降了不少,我觉得这是一个遗憾。

 

  我没有经验能力DIY这样的模拟前端放大电路,不知道它的难度有多大,所以不评论这个指标处于什么水平。下面就依照参考手册来看看模拟输入电路吧。Analog Discovery 2和ADALM2000的这部分电路几乎是一样的,尽管后者用的ADC性能要弱。

  先说说电路结构:从排针处的 1+/1- 以及 2+/2- 两组差分模拟输入进来,各自分别经过电阻衰减网络、量程切换开关、电压缓冲、差分放大和差分驱动,进入ADC的输入。Analog Discovery 2的输入有两个量程:+/-2.5V 和 +/-25V,具有一定范围的输入保护(作为一般实验的保护也够用了),差分输入使得它的测量不需要用GND作为参考,不像示波器的探头夹子只能夹GND.

  根据手册,输入直接接电阻分压,电容起阻抗补偿作用:

figure_3.png   分压是三个电阻串联,两个抽头分别是 0.2115、0.0192 电压比例,对应5V、50V两个电压量程。两个量程通过后面的模拟开关ADG612进行切换,由软件可以控制。这个简易的输入电路决定了输入阻抗(大约1M欧,24pF),虽然大电阻衰减会劣化信噪比,也起到了限制输入电流保护后面电路的作用。

  其后的电压缓冲级由AD8066运放构成:

figure_4.png   运放输入端和反馈端均使用了补偿网络。这里分别对两个输入端进行缓冲,以驱动后面的差分放大级。因为输入的电阻衰减网络阻抗大,必须有这个缓冲级才能连接后面的电路。

  差分放大、驱动级由全差分运放ADA4940-2构成:

figure_6.png   上面这个单元电路图中,上一个运放(IC2B)对输入信号以及VREF, VOFF一起进行加减运算,差分输出至ADC. 由缓冲级过来的信号在这里稍有所增益(3.9k/2.2k,5dB),VREF与VOFF两路(直流)电压被一起加到信号上,起到调节输入直流电压范围的作用。其中VREF是固定电压,VOFF是两个模拟输入通道独立的可调直流电压,由下图中DAC产生。

  另外,上图中IC2A输出的是固定的电压,通过四个二极管接到ADC输入端,与IC2B输出端串的电阻一起,起到限压保护的作用。

figure_5.png   最后一个图是ADC部分,使用电阻将1.2V基准电压分压缓冲得到1.0V作为基准。

figure_9.png

  按照信号路径,在小量程挡,从最外边输入端到ADC端的电压增益为 0.3749, 换算输入量程为 +/-2.667V 差分电压。Analog Discovery 2的 +/-2.5V 挡位是留了一点余量的,可以检测到电压超出量程范围,还给软件校准留了余地。在大量程挡,电压增益为 0.0341, 换算输入范围为 +/- 29.33V 差分电压。

  尽管用动态范围上占优,Analog Discovery 2和数字示波器的量程数量比,这两个量程实在是少了。考虑到它的体积那么小巧,做复杂的模拟前端有代价,就原谅了吧。反正,嫌两个基本量程不够用还可以自己外加放大电路扩展(自己DIY未必能把带宽做到同样好,也得小心设计)。

  但是电路信噪比的限制就这样了,远不够完美。外加放大电路能观察更小的信号,但也是相当于换档了。

 

  ADC过后的数字信号,就交给FPGA处理了。因为板子上没有另外的RAM,只靠FPGA内部Block RAM的存储空间不大,于是连续采集模拟信号的长度受限,最大配置是16k,仅仅相当于低端数字示波器的存储深度。为什么不能使用PC的大容量内存呢——是因为USB连接带宽不够,无法将100Msps 14-bit的采样数据实时传到PC. 倘若能像Digital Discovery那样外扩一片DDR DRAM就好了,也许未来升级版本硬件会有。

  同样由于自身存储能力的限制,FFT分析的点数也受到限制了,因为必须对连续一块采样数据做运算。

 

  最后再说一下过采样时的使用。当不需要100Msps速率的时候,可以降低采样率换取更长的采集时间(总采样数不变)。这时候有两个选择:直接抽取(decimate)和平均(average),也就是采样频率变为 100MHz 的 1/N 时如何处理。

samplemode.PNG   熟悉数字信号处理的都应该知道,降采样要避免混叠,是需要先一个低通滤波器将信号处理一下的。但是经过我的试验发现,Decimate这个选项就是直接每N个采样中丢掉其它N-1个,没有用滤波器处理。FPGA上要实现任意1/N带宽的LPF也不是容易的事情…… 那么Average选项呢,相当于就是过了个一阶的CIC滤波器,从我对噪声的比较可以看出来采样率降了以后的确噪声是在降低的(整个系统的带宽下降了),但是没有达到理想的降低程度。原因——我怀疑这个Average运算过程中又加进来舍入误差了,且从硬件传至PC的数据仍然只有14-bit(从波形图的台阶形状可以断定)。

 

  我买Analog Discovery 2的首要原因就是看中它的双路100Msps 14-bit采集能力以及同步的100Msps 14-bit输出能力,作为宽带的环路分析工具来用。作为这个目的它的模拟采集硬件基本满足要求,动态范围要再想提高就得信噪比也提高(模拟前端电路损失了一些信噪比)。

  作为通用模拟采集工具,在不苛刻要求时Analog Discovery 2也是不错的,但是还没有把ADC的性能发挥完美。它的降采样数字设计有些简陋,没有充分利用重采样来提升性能,这一点期待可以通过FPGA固件和软件升级改进。

  易用性上就没有什么可责备的,标准插针设计可以随便接插线、接扩展板,官方有BNC接口扩展板。全差分输入,带输入过压保护使得实验用起来顾虑少。

 

  NEXT >>> Analog Discovery 2 测评(6) 波形发生器
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测评达人

发表于 2019-12-1 00:10 | 显示全部楼层



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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-12-18 13:35 | 显示全部楼层

Analog Discovery 2开源的吗?

感觉公开了不少产品细节,哪里有手册或相关资料下载,我也想学习一下。



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