1、AD 转 换 器 的 保 真 度 测 试 检 验 纯 度摘 要 ： 对 正 弦 波 进 行 精 确 数 字 化 的 能 力 是 高 分 辨 率 AD 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 AD 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
2、 用 之 前 完 成 性 能 验 证 。关 键 字 ： 振 荡 器 , 放 大 器 , AD, 转 换 器引 言对 正 弦 波 进 行 精 确 数 字 化 的 能 力 是 高 分 辨 率 AD 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 AD 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
3、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AD。 AD 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 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 1： AD 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
4、 大 器 和 AD 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 AD 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-
5、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 AD 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 A
6、4 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
7、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 1 F 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
8、 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。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 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
9、 偏 压 使 输 出 进 入 AD 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.
10、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 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网验 证 振 荡 器 失 真验 证
11、 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
12、 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
13、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 AD 保 真 度 特 性 分 析 中 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件
14、 网图 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 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 5： Audio Precision 2722 分 析 仪 测 得 的 振 荡 器 THD 为 -110dB， 大 约 3ppm 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 6： AP-2722 分 析 仪 测 得 的 振 荡
15、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， 2.4ppmAD 测 试AD 测 试 通 过 其 输 入 放 大 器 将 振 荡 器 输 出 发 送 至 AD。 此 项 测 试 测 量 了 由 输 入放 大 器 / AD 组 合 所 产 生 的 失 真 分 量 。 AD 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
16、 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 AD / 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 AD 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 / AD 之 间 的 谐 波 消 除
17、 ， 则 必 需 测 试 多 个 放大 器 / AD 样 本 以 增 加 测 量 的 置 信 度 4。图 8： 图 1 所 示 测 试 系 统 的 部 分 显 示 包 括 时 域 信 息 、 富 里 叶 频 谱 曲 线 图 以 及详 细 的 表 列 读 数 (针 对 由 LT6350 放 大 器 驱 动 的 LTC2379 18 位 AD)注 1： 这 有 點 类 似 于 使 食 物 通 过 绞 肉 机 来 制 作 浓 汤 。注 2： 在 或 接 近 设 备 性 能 限 制 的 条 件 下 进 行 的 失 真 测 量 充 满 了 令 人 不 快 的 惊 讶 。请 参 见 LTC 应 用 指 南
18、 43 “桥 式 电 路 ” (Bridge Circuit) 附 录 D “了 解失 真 测 量 ”(Understanding Distortion Measurements)， 作 者 是 Audio Precision 公 司 的 Bruce Hofer。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网注 3： 凌 力 尔 特 提 供 了 测 试 所 必 需 的 输 入 放 大 器 / AD 转 换 器 、 计 算 机 数 据采 集 和 时 钟 电 路 板 。 软 件 代 码 可 登 录 网 站 下 载 。 详 情 请 见附 录 A “用 于 AD 保 真 度 测 试 的 工 具 ”。
19、 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网注 4： 相 关 注 释 请 仔 细 研 究 正 文 部 分 中 的 “验 证 振 荡 器 失 真 ”和 脚 注 2。附 录 A用 于 AD 保 真 度 测 试 的 工 具可 提 供 用 于 实 施 正 文 所 述 之 AD 测 试 的 电 路 板 。 表 1 列 出 了 电 路 板 功 能 及其 产 品 型 号 。 另 外 ， 计 算 机 软 件 PScope 也 可 从 凌 力 尔 特 获 取 或 访 问 网 站 下 载 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网表 1* 可 以 使 用 任 何 能 够 驱 动 50 负 载 的 稳 定 、 低 相 位 噪 声 3.3V 时 钟 。
