你需要高采样率，但8位不够

作者：Kaustubh Wagle, National Instruments

欢迎访问e展厅 展厅 6 电子测量仪器展厅 万用表, 示波器, 电子测试仪器, 信号发生器, 信号分析仪, ... 今天，很多应用都需要比主流示波器更高分辨率的数字化操作，如通信、医疗仪器、超声NDT（无损检测）、音频和视频等，但并不需要现代数字示波器的多触发功能。采用如PXI封装方式的高分辨率数字化仪器模块非常适合于这类应用，尤其需要多个通道的应用时（这种情况很多）。IC厂商制造的ADC分辨率已达24b。 仪器模块制造商经常要在分辨率和采样速度之间做出权衡，因此，只有创新的设计和方法才能满足对更高采样速率下高分辨率数字化的不断需求。这些技术有两种，一种是时间交错采样，另一个是多位 ADC 的线性化。 时间交错采样也叫乒乓采样，用两个以上 ADC 交错实现更高的有效采样速率。n个ADC的时间交错，每个以fS 速率采样，得到的有效采样速率为n×fS。很多现代示波器用这种技术获得很好的效果，而对精度影响最小。这是因为它们采用了适度的ADC分辨率，通常是8 b。 在更高分辨率应用中，存在一个困难：如不小心，交错会产生有害的频率内容。例如，两个12b、100M S/s ADC 的乒乓采样可以实现12b分辨率的200M S/s的实际采样速率。但是，交错的ADC在增益、偏移和相位上不可避免有失配的地方（图A）。在频率域中，增益和相位的失配会在 FFT 上产生图像毛刺（在 fS/2 的谱线减去基频），而偏移失配则会造成偏移毛刺（在 fS/2 的谱线）。更多数量 ADC 的交错会导致更多毛刺。这些寄生频率成份会降低这个动态性能规格，如动态范围、SINAD（信号、噪声和失真），以及 ENOB（有效位数），无法实现较高采样速率下的高分辨率。 减少毛刺 8 b 系统（如示波器）的设计师已经知道如何控制这些问题，但在更高分辨率的系统中，降低乒乓毛刺还需要更复杂的测量。例如，你可以使用公共基准电压、匹配的物理布局以及等长度走线等，实现经典的模拟匹配技术。但在 12 b 以上分辨率时，很多这类技术需要附加电路，它们自身就是误差的来源（参考文献 A）。 降低乒乓效应的另一种技术是数字后处理，它可以在主 PC 的软件中或数字化器内部一片功能强大的 FPGA 中完成。在任何情况下，降低（如果不能完全消除）乒乓造成的图像毛刺和偏移毛刺是非常重要的。否则，就无法实现乒乓采样的目的，只能实现更高的采样速度，而不是更高的分辨率。有一个对示波器和数字化器用户的警告，那就是要特别注意动态规格中的采样速度，它们一般在数据表脚注的小字里可以找到。 另一个以更高采样速度实现高分辨率的创新技术是多位ADC 线性化。单个位ADC 可为低频应用提供高分辨率和大动态范围。但是，由于有限的采样速度，单个位ADC 不适用于高于数百千赫兹的动态信号应用。多位ADC 可以在高频率下提供大动态范围，但要对 ADC 作线性化，以去除固有的非线性成份。 图Ba描述了ADC中的非线性成份如何在频率域中显示为谐波。National Instruments的Flex II ADC(参考文献 B)用一片功能强大的 FPGA 和获专利的线性化技术，将这些非线性成份去除，从而在较高采样速率下提供惊人的动态范围（图 Bb）。 增加的动态范围使工程师们能够分析出那些传统仪器的噪声本底会丢失的信号。 PXI-5922柔性分辨率数字化器组合有Flex II ADC，可提供高达15M S/s的高分辨率。可以将这单个数字化器用于500 K S/s 下的 24 b采样，或在 15 M S/s下16 b 采样（图 C）。 参考文献 A. Looney, Mark, Advanced Digital Post-Processing Techniques Enhance Performance in Time-Interleaved ADC Systems, Analog Dialogue, August 2003. B. Wagle, Kaustubh and N Knudsen, Flex II ADC Technology White Paper, National Instruments 2005.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/12/2006)