【導讀】在現(xiàn)代頻譜儀和信號分析儀中,隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的廣泛采用,高速A/D轉(zhuǎn)換器(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,即ADC)的應用及其性能越來越受到關(guān)注,因為它的性能直接影響頻譜儀和信號分析儀的精度,尤其是ADC的動態(tài)性能,包括信噪比和有效位數(shù)。今天我們就一起來了解模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識點以及在頻譜分析中的作用。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC轉(zhuǎn)換器)
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC轉(zhuǎn)換器)是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的系統(tǒng)。它是一個濾波、采樣保持、量化和編碼的過程。模擬信號經(jīng)過帶限濾波、采樣保持電路,成為梯形信號,再經(jīng)過編碼器,使梯形信號中的每一級都變成二進制碼。最后,模擬量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,然后傳送到CPU。也就是說,幾乎所有的通電數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換。例如電能表的電能計量、電子秤的重量測量、電子溫度計的溫度測量、通訊領(lǐng)域。
ADC類型
現(xiàn)階段常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有以下幾種類型:逐次逼近型、積分型、壓頻變換型、流水線型、∑-Δ型等。
逐次逼近型
逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法,它包括1個比較器、1個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個逐次逼近寄存器(SAR)和1個邏輯控制單元,所以逐次逼近ADC也被稱為SAR ADC。它是將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較,1個時鐘周期完成位轉(zhuǎn)換,N位轉(zhuǎn)換需要N個時鐘周期,轉(zhuǎn)換完成,輸出二進制數(shù)。
這一類型ADC的分辨率和采樣速率是相互矛盾的,分辨率低時采樣速率較高,要提高分辨率,采樣速率就會受到限制。
積分型ADC
積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC,它的應用也比較廣泛。
它由1個帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、1個比較器和1個計數(shù)單元構(gòu)成,通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時,在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù),從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。
積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定,因此所得到的D表達式與時鐘頻率無關(guān),其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。此外,由于輸入端采用了積分器,所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50Hz或60Hz),適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領(lǐng)域,如數(shù)字電壓表。
并行比較A/D轉(zhuǎn)換器
并行比較ADC主要特點是速度快,它是所有的A/D轉(zhuǎn)換器中速度最快的,現(xiàn)代發(fā)展的高速ADC大多采用這種結(jié)構(gòu),采樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制,并行比較ADC的分辨率難以做的很高。
這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時完成,其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出代碼對轉(zhuǎn)換時間的影響較小,但隨著分辨率的提高,需要高密度的模擬設(shè)計以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必需的數(shù)量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數(shù)字增加一位,精密電阻數(shù)量就要增加一倍,比較器也近似增加一倍。
并行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結(jié)果重復的并聯(lián)比較器如果精度不匹配,還會造成靜態(tài)誤差,如會使輸入失調(diào)電壓增大。同時,這一類型的ADC由于比較器的亞穩(wěn)壓、編碼氣泡,還會產(chǎn)生離散的、不精確的輸出,即所謂的“火花碼”。
壓頻變換型ADC
壓頻變換型ADC是間接型ADC,它先將輸入模擬信號的電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的脈沖信號,然后在固定的時間間隔內(nèi)對此脈沖信號進行計數(shù),計數(shù)結(jié)果即為正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。
從理論上講,這種ADC的分辨率可以無限增加,只要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度即可。
∑-Δ型ADC
∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器,它采用增量編碼方式即根據(jù)前一量值與后一量值的差值的大小來進行量化編碼。
∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器?!?Δ調(diào)制器主要完成信號抽樣及增量編碼,它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼;數(shù)字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波,把增量編碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號。因此抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。
流水線型ADC
流水線結(jié)構(gòu)ADC,又稱為子區(qū)式ADC,它是一種高效和強大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換,并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸;經(jīng)過合理的設(shè)計,還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。
流水線型ADC由若干級級聯(lián)電路組成,每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路,其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。
快速精確的n位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū)(流水線)來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個m位分辨率粗A/D轉(zhuǎn)換器對輸入進行量化,接著用一個至少n位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)產(chǎn)生一個對應于量化結(jié)果的模/擬電平并送至求和電路,求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。
并將差值精確放大某一固定增益后交下一級電路處理。經(jīng)過各級這樣的處理后,最后由一個較高精度的K位A/D轉(zhuǎn)換器對殘余信號進行轉(zhuǎn)換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來即構(gòu)成高精度的n位輸出。
ADC技術(shù)參數(shù)
ADC的主要技術(shù)參數(shù):
01 分辨率
A/D的分辨率是使A/D輸出數(shù)字量最低位變化1所對應的輸入模擬電壓變化的大小值。分辨率也用輸出二進制數(shù)的位數(shù)來表示,如8位A/D的分辨率就是8,位數(shù)越多,誤差越小,轉(zhuǎn)換精度也越高。
02 量化誤差
用數(shù)字量近似表示模擬量的過程稱為量化。A/D轉(zhuǎn)換一般是按四舍五入原則進行的,由此產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差,量化誤差小于等于1LSB。
03 精度
精度分為絕對精度和相對精度。
在一個A/D中,任何數(shù)碼所對應的實際模擬電壓與其理想的電壓之差并不是一個常數(shù),把差值中的最大值定義為該A/D的絕對精度;而相對精度則定義為這個最大差值與滿刻度模擬電壓的百分數(shù),或者用二進制分數(shù)來表示相對應的數(shù)字量。
04 轉(zhuǎn)換時間
轉(zhuǎn)換時間是完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間,這是指從啟動A/D轉(zhuǎn)換器開始到獲得相應數(shù)據(jù)所需要的總時間。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC轉(zhuǎn)換器)在頻譜分析儀中的作用
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有頻譜分析儀功能,支持直接轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、直接IQ數(shù)據(jù)記錄等功能。然而,要達到幾千兆赫以上或捕捉持續(xù)時間非常短的信號,往往需要不止一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。例如,具有較高頻率能力的頻譜分析儀可能采用多個ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器);一個ADC與另一個ADC,甚至多個ADC一起轉(zhuǎn)換低頻;協(xié)同頻率轉(zhuǎn)換硬件(下變頻器)將高頻轉(zhuǎn)換為ADC能夠處理的中頻。
頻譜分析儀可以根據(jù)特定需要在同一頻段上采用多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在這種情況下,使用更快但精度較低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來快速捕獲頻率掃描,而更高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以較慢的速率提供信號監(jiān)控和分析。此外,多個ADC可以與交錯采樣窗口結(jié)合使用,以提高截獲概率。
這種方法的一個挑戰(zhàn)是,頻譜分析儀的數(shù)字后端用于實時頻譜分析捕獲的帶寬是有限的,因此觀察頻譜將小于模數(shù)轉(zhuǎn)換器捕獲的頻譜。這是因為頻譜分析儀模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常以恒定速率采樣,但是,通常與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs)或?qū)S眉呻娐?ASICs)聯(lián)合運用的重采樣器和數(shù)字下變頻器,將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶(IQ數(shù)據(jù)),其帶寬、頻帶寬度和采樣速率符合奈奎斯特標準。
給頻譜分析儀選定模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常要重點考慮成本、設(shè)計復雜性和性能瓶頸這些問題。這主要是因為數(shù)字電子器件在性能上的擴展速度比模擬電子器件快得多,而且模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入部分本質(zhì)上是模擬的。這就是在頻譜分析儀設(shè)計中,為什么一定要確保頻譜分析儀的射頻前端(RFEE)將噪聲和相位噪聲降至最低并將模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的動態(tài)范圍和精確度設(shè)置為最佳信號強度。這些設(shè)備包括低噪聲放大器(LNA)、限幅器、功率分配器、衰減器、濾波器而且要互相連通。
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