在對(duì)ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行性能參數(shù)評(píng)估時(shí)，需要用正弦波做為ADC的測(cè)試信號(hào)。為了正確評(píng)估出ADC的真實(shí)性能，此正弦波信號(hào)的信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）等指標(biāo)均需優(yōu)于被測(cè)ADC。普通的信號(hào)發(fā)生器一般基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通常可以滿足12位分辨率以下 ADC的評(píng)估，但由于THD和SNR等指標(biāo)的限制，往往無(wú)法用于高分辨率ADC的評(píng)估。本文基于ADI公司的高性能器件，設(shè)計(jì)了一種新型低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號(hào)源以滿足16位高分辨率ADC的評(píng)估需求。

引言

ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，其關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：積分非線性（INL）、微分非線性（DNL）、信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）等。在對(duì)ADC進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估時(shí)，需要把正弦波作為測(cè)試信號(hào)源輸入給ADC，對(duì)ADC輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換（FFT） 等數(shù)學(xué)分析，進(jìn)而得到ADC的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

但如果信號(hào)源中帶有諧波和噪聲，那同樣也會(huì)被ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)輸出，此時(shí)測(cè)試ADC得到的結(jié)果實(shí)際上已被輸入信號(hào)源的指標(biāo)所降低。因此在對(duì)ADC評(píng)估，特別是高分辨率ADC的評(píng)估時(shí)，信號(hào)源的性能指標(biāo)是一個(gè)關(guān)鍵性的因素，其指標(biāo)必需高于被測(cè)ADC，否則將會(huì)影響ADC性能的評(píng)估結(jié)果。

傳統(tǒng)解決方案

信號(hào)發(fā)生器是常見(jiàn)的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于電子電路的測(cè)試測(cè)量中。目前普通的信號(hào)發(fā)生器一般都是基于直接數(shù)字頻率合成DDS（Direct Digital Frequency Synthesis） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)控信號(hào)源，可以在較寬的頻帶內(nèi)輸出波形質(zhì)量好、頻率精度和穩(wěn)定性高的正弦波、方波和三角波。

但當(dāng)前多數(shù)信號(hào)發(fā)生器所采用DDS器件的垂直分辨率一般在12~14位左右，其輸出正弦波信號(hào)的總諧波失真（THD）指標(biāo) 一般只有-75dB~-85dB左右，通常只能用來(lái)評(píng)估12位分辨率以下的ADC。對(duì)于分辨率為16位的高精度ADC，其THD指標(biāo)通常優(yōu)于-100dB，SNR也在90dB左右，因此常用的DDS型信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波無(wú)法直接用于高分辨率ADC的評(píng)估。

為了得到高信噪比、低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號(hào)源，需要對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦波進(jìn)行帶通濾波?？梢赃x用截止頻率特性陡峭的帶通濾波器，僅使得中心頻點(diǎn)的信號(hào)通過(guò)，濾除帶外的噪聲和諧波以提高正弦波信號(hào)的THD和SNR指標(biāo)，此類(lèi)方案的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。但此方案需要價(jià)格昂貴的帶通濾波器，而且針對(duì)每一個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)都需要購(gòu)置對(duì)應(yīng)的帶通濾波器，應(yīng)用中起來(lái)不夠靈活，存在諸多不方便。對(duì)于較低頻信號(hào)而言，可能還需要用價(jià)格昂貴的晶體濾波器。

本文解決方案

本文中選用ADI公司的高性能DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）和Blackfin系列DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），較好的解決了相關(guān)的技術(shù)關(guān)鍵，設(shè)計(jì)制作出低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號(hào)源，而且此信號(hào)源完全可以滿足16位 ADC的性能評(píng)估需求。

設(shè)計(jì)中首先要選擇高性能的DAC。AD5791是一款單通道、20位分辨率、電壓輸出型DAC，具有1LSB（最低有效位）的積分非線性（INL）和微分非線性（DNL），是業(yè)界首款單芯片1ppm 精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。AD5791采用精密電壓模式R-2R架構(gòu)，利用了最新的薄膜電阻匹配技術(shù)，并通過(guò)片內(nèi)校準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)了高精度。AD5791的內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示。


圖1 帶通濾波器實(shí)現(xiàn)的低諧波失真信號(hào)源

圖2 AD5791內(nèi)部架構(gòu)

除了高性能的DAC之外，系統(tǒng)中還需要高性能的數(shù)字信號(hào)處理器DSP。 ADI的 Blackfin系列DSP將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起，這種獨(dú)特的匯聚式架構(gòu)非常符合數(shù)據(jù)處理、各種高性能算法（如諧波分析）等功能的軟件實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中選用Blackfin系列中的BF518F，其具有400MHz的主頻，完全滿足各種數(shù)據(jù)處理的需要，同時(shí)具有高達(dá)33MHz的外設(shè)SPORT口，可以方便與AD5791對(duì)接，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。BF518F的內(nèi)部架構(gòu)如圖3所示。


波形的生成是借助DAC的輸出保持去實(shí)現(xiàn)。但由于DAC的輸出不是一系列的零寬度脈沖，而是一系列的矩形脈沖，其寬度等于更新速率的倒數(shù)，此時(shí)在DAC的輸出信號(hào)中就會(huì)有理想輸出信號(hào)的高頻鏡像頻點(diǎn)。假設(shè)DAC的采樣時(shí)鐘為fc，生成的正弦波頻率為fout，那在DAC輸出信號(hào)的頻譜中，將會(huì)在fc±fout，2*fc± fout，……等多個(gè)頻點(diǎn)處產(chǎn)生fout的鏡像頻點(diǎn)，在濾波前，鏡像頻點(diǎn)的幅值由Sin(x)/x（或Sinc）的響應(yīng)特性所決定，隨著頻率的增加而變小。DAC輸出信號(hào)的頻譜如圖4所示。

輸出頻譜鏡像是由于DAC的輸出特性所致，在DSP的程序中是無(wú)法通過(guò)數(shù)字處理來(lái)消除的，因此在DAC的輸出信號(hào)后端需要使用模擬低通濾波器，把期望頻率的頻譜鏡像衰減至噪聲水平以下。濾波器的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)DAC的采樣時(shí)鐘fc、生成正弦波的頻率fout、諧波指標(biāo)等，借助于ADI網(wǎng)站上的免費(fèi)工具——Analog Filter Wizard——可以方便快捷地完成設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述選定的器件，在完成相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)之后，低諧波失真、高頻譜純度正弦波信號(hào)源的架構(gòu)如圖5所示。


圖3 BF518的內(nèi)部架構(gòu)

圖4 DAC輸出信號(hào)的頻譜圖

圖5 低諧波失真、高頻譜純度正弦波信號(hào)源架構(gòu)

在高精度的電路設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意在PCB上的模擬電路與數(shù)字電路必須分開(kāi)布局，并放置在不同的區(qū)域內(nèi)，避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交叉。在電源的設(shè)計(jì)上，需要精心考慮電源設(shè)計(jì)和接地回路，采用良好的退耦通路，比如在每個(gè)電源引腳上采用10µF與0.1µF并聯(lián)，并且盡可能靠近器件放置。

在DSP的程序中，BF518通過(guò)UART串口與運(yùn)行在PC計(jì)算機(jī)上的用戶界面通訊，接收用戶的各項(xiàng)設(shè)置信息：如輸出信號(hào)頻率、幅值、共模電平等。BF518的程序中根據(jù)用戶的設(shè)置，計(jì)算生成相對(duì)應(yīng)的數(shù)組，然后通過(guò)高速SPORT口輸出給AD5791產(chǎn)成正弦波信號(hào)。示例代碼如下所示。

#define ARRAY_SIZE size

#define AMPLITUDE sine_amplitude

int Sine_Data[ARRAY_ SIZE];

void Sine_Data_Generate ()

{

int i;

double x;

for ( i=0; i< ARRAY_ SIZE; i++ )

{

x = 2.0 * 3.14159 * i / ARRAY_ SIZE;

Sine_Data[i] = AMPLITUDE * sin(x);

}

}

編寫(xiě)運(yùn)行在PC計(jì)算機(jī)上的程序，為用戶提供友好的界面，方便快捷改變信號(hào)源的頻率、幅值等參數(shù)。本文所述的信號(hào)源，除了可以輸出低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號(hào)，也可以輸出高精度的直流信號(hào)。信號(hào)源的用戶設(shè)置界面如圖6所示。

驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成后，選用 Audio Precision AP2722對(duì)輸出的正弦波信號(hào)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。AP2700系列由全球最大的音頻測(cè)試儀器制造商美國(guó)Audio Precision公司生產(chǎn)，是目前音頻業(yè)界認(rèn)可的的標(biāo)準(zhǔn)音頻分析儀，也是Dolby、DTS、Microsoft DTM認(rèn)證所指定音頻分析儀。AP2722具有 2通道的模擬/數(shù)字輸入，帶音頻分析功能，也是杜比公司測(cè)試Digital Dolby/AC-3的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。

AP2722的測(cè)試結(jié)果中包含THD和THD+N（總諧波失真加噪聲）指標(biāo)。THD+N定義為所有諧波分量與噪聲電平的和與基準(zhǔn)輸出電平之比。THD+N和THD在計(jì)算時(shí)皆包含了2~15次諧波。對(duì)于SNR指標(biāo)，可以根據(jù)THD和TND+N，根據(jù)下面的公式算出：

圖7是將正弦波信號(hào)源設(shè)置輸出信號(hào)峰峰值±4.98V，頻率在50Hz時(shí)用AP2722測(cè)試的頻譜圖。此時(shí)測(cè)量的結(jié)果，THD為-110dB，THD+N為-100dB。


圖6 信號(hào)源的用戶界面

圖7 AP2722測(cè)試頻譜圖

用于16位分辨率ADC 的評(píng)估

AD7606是ADI公司在2010年推出的一款16位同步采樣8ch模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），所有的通道均能以高達(dá)200ksps的速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換。AD7606為下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了所需的分辨率和性能，其信噪比（SNR）的典型值為89dB，最小值為87.5dB，如果開(kāi)啟過(guò)采樣功能，SNR更可高達(dá)97dB。其總諧波失真（THD）的典型值為-107dB。

擁有本文所述的低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號(hào)源后，就可以對(duì)AD7606進(jìn)行評(píng)估。將正弦波信號(hào)源的輸出連接到AD7606的任意一個(gè)通道，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，借助AD7606的評(píng)估板圖形界面，就可以方便直觀地看到SNR、THD等性能指標(biāo)。圖8是在輸入信號(hào)為50Hz，AD7606設(shè)置為±5V量程、10Ksps采樣率、8192點(diǎn)FFT計(jì)算時(shí)所得到的結(jié)果?？梢钥吹?，此時(shí)AD7606的SNR為88.39dB，THD為-107.21dB，完全達(dá)到了器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的指標(biāo)。因此，本低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號(hào)源可以完全滿足對(duì)16位分辨率ADC 的評(píng)估需求。