在對ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行性能參數(shù)評估時，需要用正弦波做為ADC的測試信號。為了正確評估出ADC的真實(shí)性能，此正弦波信號的信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）等指標(biāo)均需優(yōu)于被測ADC。普通的信號發(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?？梢詽M足12位分辨率以下 ADC的評估，但由于THD和SNR等指標(biāo)的限制，往往無法用于高分辨率ADC的評估。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源以滿足16位高分辨率ADC的評估需求。

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）、無雜散動態(tài)范圍（SFDR）等。在對ADC進(jìn)行測試和評估時，需要把正弦波作為測試信號源輸入給ADC，對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)。

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

傳統(tǒng)解決方案

信號發(fā)生器是常見的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路的測試測量中。目前普通的信號發(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，其輸出正弦波信號的總諧波失真（THD）指標(biāo) 一般只有-75dB~-85dB左右，通常只能用來評估12位分辨率以下的ADC。對于分辨率為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型信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波無法直接用于高分辨率ADC的評估。

為了得到高信噪比、低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號源，需要對信號發(fā)生器輸出的正弦波進(jìn)行帶通濾波。可以選用截止頻率特性陡峭的帶通濾波器，僅使得中心頻點(diǎn)的信號通過，濾除帶外的噪聲和諧波以提高正弦波信號的THD和SNR指標(biāo)，此類方案的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。但此方案需要價格昂貴的帶通濾波器，而且針對每一個測試頻點(diǎn)都需要購置對應(yīng)的帶通濾波器，應(yīng)用中起來不夠靈活，存在諸多不方便。對于較低頻信號而言，可能還需要用價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源，而且此信號源完全可以滿足16位 ADC的性能評估需求。

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)，并通過片內(nèi)校準(zhǔn)來實(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)字信號處理器DSP。 ADI的 Blackfin系列DSP將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號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，同時具有高達(dá)33MHz的外設(shè)SPORT口，可以方便與AD5791對接，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)，此時在DAC的輸出信號中就會有理想輸出信號的高頻鏡像頻點(diǎn)。假設(shè)DAC的采樣時鐘為fc，生成的正弦波頻率為fout，那在DAC輸出信號的頻譜中，將會在fc±fout，2*fc± fout，……等多個頻點(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的程序中是無法通過數(shù)字處理來消除的，因此在DAC的輸出信號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輸出信號的頻譜圖

圖5 低諧波失真、高頻譜純度正弦波信號源架構(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)字電路必須分開布局，并放置在不同的區(qū)域內(nèi)，避免數(shù)字信號與模擬信號交叉。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)算生成相對應(yīng)的數(shù)組，然后通過高速SPORT口輸出給AD5791產(chǎn)成正弦波信號。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，方便快捷改變信號源的頻率、幅值等參數(shù)。本文所述的信號源，除了可以輸出低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號，也可以輸出高精度的直流信號。信號源的用戶設(shè)置界面如圖6所示。

驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成后，選用 Audio Precision AP2722對輸出的正弦波信號指標(biāo)進(jìn)行評估。AP2700系列由全球最大的音頻測試儀器制造商美國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，也是杜比公司測試Digital Dolby/AC-3的標(biāo)準(zhǔn)型號。

AP2722的測試結(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)算時皆包含了2~15次諧波。對于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是將正弦波信號源設(shè)置輸出信號峰峰值±4.98V，頻率在50Hz時用AP2722測試的頻譜圖。此時測量的結(jié)果，THD為-110dB，THD+N為-100dB。


圖6 信號源的用戶界面

圖7 AP2722測試頻譜圖

用于16位分辨率ADC 的評估

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