检验A-D转换器纯度的保真度测试

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检验A-D转换器纯度的保真度测试 [复制链接]

引言

对正弦波进行精确数字化的能力是高分辨率A→D转换器保真度的一项敏感度测试。该测试需要一个具接近1ppm残留失真分量的正弦波发生器。此外，还需要一个基于计算机的A→D 输出监视器，用于读取和显示转换器输出频谱成分。若想以合理的成本和复杂程度来实施此项测试，就必需进行其元件的设计并在使用之前完成性能验证。

概要

图1给出了系统的示意图。一个低失真振荡器通过一个放大器来驱动A→D。A→D输出接口对转换器输出进行格式化，并与负责执行频谱分析软件和显示结果数据的计算机进行通信。

图1：A→D频谱纯度测试系统方框图。假设采用了一个无失真的振荡器，由计算机负责显示因放大器和A→D失真产生的富里叶(Fourier)分量

振荡器电路

振荡器是系统中难度最大的电路设计部分。为了对18位A→D进行有意义的测试，振荡器的不纯度必须超低，而且这些特性必须采用独立的方法加以验证。图2基本上是一款“全反相”2kHz维氏(Wien)电桥设计(A1-A2)，其在哈佛大学Winfield Hill所做研究工作的基础上进行。原始设计的J-FET增益控制被一个LED驱动的CdS光电管隔离器所替代，从而消除了由 J-FET电导率调制引起的误差，同时也就不必为最大限度地减少这些误差而进行微调。限带的A3负责接收A2输出和DC失调偏置，并通过一个2.6kHz滤波器提供输出以驱动A→D输入放大器。用于A1-A2振荡器的自动增益控制(AGC)信号由负责给整流器A5-A6馈电的AC耦合A4从电路输出(“AGC 检测”)获取。A6的DC输出表示电路输出正弦波的AC幅度。利用终接至 AGC放大器A7的电流求和电阻器来使该数值与LT1029基准保持平衡。驱动Q1的A7通过设定LED电流 (因而还包括CdS光电管电阻) 来闭合增益控制环路，从而稳定振荡器输出的幅度。尽管这会衰减A3和输出滤波器的带限响应，但从电路的输出获得增益控制反馈信息可保持输出幅度。另外，它还对A7环路闭合动态特性提出了要求。确切地说，A3的频带限制与输出滤波器A6的滞后及纹波抑制组件 (在Q1的基极中) 相组合，可产生显著的相位延迟。A7上的一个1μF主极点和一个RC零点一起提供了该延迟，从而实现了稳定的环路补偿。这种方法用简单的RC滚降滤波器取代了严密调谐的高阶输出滤波器，从而在保持输出幅度的同时最大限度地降低了失真1。

图2：维氏电桥(Wien Bridge)振荡器在信号通路中采用反相放大器，可实现3ppm失真。LED光电管取代了常用的J-FET作为增益控制器，从而消除了电导率调制所引起的失真。与A3 相关的滤波衰减通过在电路输出端检测AGC反馈来补偿。DC失调施加偏压使输出进入A→D输入放大器范围

从LED偏置中消除与振荡器有关的分量是保持低失真的关键。任何此类残留噪声都将调整振荡器的幅度，因而引入不纯分量。对带限AGC信号正向通路实施了很好的滤波，而且Q1基极中的大RC常数提供了最终的陡峭滚降。如图3 (Q1的发射极电流) 所示，振荡器相关纹波在10mA的总电流中约为1nA (小于0.1ppm)。

图3：振荡器 (扫迹A) 相关的残留噪声 (扫迹B)，在Q1发射极噪声中仅依稀可看到(≈ 1nA，大约为LED电流的0.1ppm)。利用大量AGC信号通路滤波获得的特性可避免调制分量影响光电管响应

振荡器仅通过一次微调便实现了其性能。该调整 (其确定了AGC捕获范围的中心)是按照原理图注释设定的

验证振荡器失真

验证振荡器失真需要采用精细的测量方法。尝试采用传统失真分析仪 (甚至是高级型分析仪) 来测量失真会遭遇局限性。图4示出了振荡器输出 (扫迹A) 及其在分析仪输出端上的残留失真指示 (扫迹B)。在分析仪的噪声层和不确定性层中，振荡器相关动作的轮廓描绘是模糊不清的。测试中使用的HP-339A规定了一个18ppm的最小可测量失真；这张照片在拍摄时仪器的指示为9ppm。这超过了规格指标而且非常可疑，因为在测量失真时如果达到或接近了设备的性能极限，就会带来显著的不确定性2。假如要对振荡器失真进行有意义的测量，则必需使用不确定层非常低和精致的专业型分析仪。规定了2.5ppm总谐波失真+噪声 (THD + N) 限值 (典型值为1.5ppm)的Audio Precision 2722提供了图5中的数据。如该图所示，总谐波失真(THD)为-110dB，即大约3ppm。图6(使用相同的仪器获得)示出的THD + N为105dB，即5.8ppm左右。在图7所示的最终测试中，分析仪确定了振荡器的频谱成分(以三次谐波为主导，位于-112dB，即大约2.4ppm)。这些测量值使人们有信心把该振荡器应用于A→D保真度特性分析中。

图4：HP-339A失真分析仪在其分辨率限值范围外工作会给出有误导的失真指示 (扫迹B)。分析仪输出包含了振荡器和仪器特征的不确定组合，不可作为判定依据。扫迹A是振荡器输出

图5：Audio Precision 2722分析仪测得的振荡器THD为-110dB，大约3ppm

图6：AP-2722分析仪测得的振荡器THD + N ≈ -105dB，大约5.8ppm

图7：AP-2722频谱输出显示三次谐波的峰值为-112.5dB，≈ 2.4ppm

A→D测试

A→D测试通过其输入放大器将振荡器输出发送至A→D。此项测试测量了由输入放大器/A→D组合所产生的失真分量。A→D输出由计算机来检查，计算机将以定量的方式把频谱误差分量指示在图8的显示界面中3。该显示界面包含了时域信息 (其示出了集中于转换器工作范围内的偏置正弦波)、一个富里叶变换 (指示了频谱误差分量) 和详细的表列读数。被测试的LTC2379 18位A→D/LT6350放大器组合产生了-111dB (约2.8ppm) 的二次谐波失真，而较高频率的谐波则远低于该水平。这表明A→D及其输入放大器处于正确的运作状态和规格范围之内。要想实现振荡器与放大器/A→D之间的谐波消除，则必需测试多个放大器/A→D样本以增加测量的置信度。4