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全球动态范围最高的数字化仪的可变分辨率技术

发布时间:2005-03-25 14:22   类型:专业论文   人浏览

摘要  单比特(single-bite)DS(DS)模拟/数字转换器(ADC)为低频应用提供高分辨率和宽动态范围。然而,由于有限的采样速率限制,对于那些涉及频率超过数十万赫兹的动态信号的应用,并没有可用的单比特DS ADC。如果对ADC线性化能够消除多位DS ADC的内在非线性,多位DS ADC可以在高频处提供宽的动态范围。PXI-5922——分辨率灵活可变的数字化仪——采用多位DS ADC和线性化专利技术,在更高的采样率时提供空前的分辨率和动态范围。本文将讨论PXI-5922中采用的灵活分辨率技术,正是这种技术使PXI-5922成为市场上动态范围最宽的数字化仪。 


    PXI-5922是业界第一款适用于各种动态信号测量的通用仪器。正如数字万用表(DMM)把数项直流信号测量归并到同一台仪器中,PXI-5922在一台仪器中提供了多台仪器的测量能力,实现了动态或交流信号测量的变革。与功能强大的软件(如NI LabVIEW) 结合,该数字化仪在高达15 MS/s的采样率范围具有无与伦比的性能,可以用来替代许多传统仪器 (如音频分析仪、频谱分析仪、中频数字化仪、DC和RMS伏特计和频率计数器等) 的测量能力。


   目录

   · 简介

   · PXI-5922的构架

   · 它不仅仅只有高分辨率ADC

   · PXI-5922的性能示例

   · 结论

   简介

   
   PXI-5922是一台具有灵可变分辨率的数字化仪,它可调整使用不同的采样率采集数据,以达到实际应用所需的可变分辨率。例如,在低采样率(最高达500 kS/s)时,PXI-5922的分辨率达24位。无须任何改变,该模块便可降低分辨率以提高采样速率。下图便是该数字化仪的频率-分辨率曲线图。

[center]图1具有可变分辨率的PXI-5922数字化仪的频率-分辨率曲线图[/center]

    由于其分辨率灵活可变以及动态范围宽的特性,PXI-5922成为业界第一款适用于各种动态信号测量的通用仪器。正如数字万用表(DMM) 用作DC测量 (如电压、电流和电阻等) 的通用测量设备,PXI-5922使一台仪器具备了多台仪器的测量能力,实现了AC测量的变革。结合功能强大的开发软件(如NI LabVIEW),该数字化仪在高达15 MS/s的采样率范围具有无与伦比的性能,可以用来替代许多传统仪器(如音频分析仪、频谱分析仪、IF数字化仪、DC和RMS伏特计和频率计数器等)的测量能力。

    包括音频、通信和超声的许多应用都要求极高的动态性能。传统仪器的性能虽已有所改进,但仍落后于分辨率和动态范围的需求。而在另一方面,PXI-5922前所未有地大幅提升了动态范围和分辨率,如图2所示。该图描述了NI测量设备的频率(一个信号被数字量化的速率)-分辨率(该信号被采集的精确性)关系与传统数据采集仪器和模块化仪器的对比差异。

[center]图2 传统仪器与NI数据采集卡和模块化仪器(发布PXI-5922之前和之后)的频率-分辨率曲线图[/center]


   PXI-5922,与其他的虚拟仪器产品相似,利用功能强大的主机完成复杂的、基于算法的线性化和校准,以消除温度漂移和非线性误差。虽然计算机可以嵌入到传统仪器,但从以往实践来看,这些仪器的冗长的开发周期排除了吸纳最新的计算能力的可能。与之相反,随着计算机能力的增长,新增的计算能力可以立即运用到虚拟测量中。


   为什么其它基于PC的数字化仪无法提供PXI-5922那样的分辨率?这是因为大多数制造商依赖组件厂商提供的现成即用的ADC。直到今天,仍未出现能够与PXI-5922的性能相媲美的可商用的ADC。PXI-5922的世界级性能成为可能,是因为其特点在于下一代具有灵活分辨率的模拟-数字转换器——Flex II ADC,它的一部分是在NI设计的完全定制的模拟ASIC上实现的。

   PXI-5922的构架

   
   PXI-5922数字化仪的核心之处在于下一代具有可变分辨率的转换器——基于27 GHz双极工艺处理的Flex-II ADC。本章节将讨论Flex-II ADC(一个增强型多位DS转换器)的构架。

   DS ADC概述

   
   图3是一个简单的单比特DS ADC的结构框图,一般包括一个调制器和一个数字信号处理器(DSP)。
[center]图3一个简单的单比特DS ADC的结构框图[/center]


    单比特调制器由一个减法节点、一个环路滤波器、一个1位ADC和反馈环路上的一个1位DAC组成。ADC和DAC以比期望的采样率高得多的速率过采样。过采样的结果便是量化噪声分散在更宽的频带上,从而得到比其他ADC构架更低的噪声本底。这种效应如图4和5所示。
[center]图4 在传统(非过采样,non-oversampled)ADC的FFT中,量化噪声均匀分布在0~Fs/2频带上(Fs指采样率)[/center]

[center]图5过采样效应——量化噪声分散在更宽的频带(0~kFs/2)上,其中k是过采样因子。结果得到一个更低但是展开的噪声本底。[/center]


   模拟输入信号通过一个减法节点注入模拟环路滤波器。该滤波器的内在特性——低频段高增益,高频段低增益——使它成为一个低通滤波器。来自ADC内部的量化噪声与环路滤波器的增益成反比。结果,量化噪声在反馈环路被高通滤波。此项技术被称为“噪声整形”,如图6所示。
[center]图6噪声整形效应——量化噪声被迁移到更高的频段[/center]


    这里,量化噪声的分布发生了变化。这种噪声分布的优势在于大多数噪声集中在更高的频率,在DSP中应用低通滤波器,可以很容易地在数字域消除这种高频噪声。然后,抽取该信号(由于我们在开始时对该信号进行了过采样,所以抽取不会导致信息丢失),图7描述了抽取滤波器的作用。
[center]图7低通滤波器和抽取滤波器的效果——消除高频噪声,并通过抽取把采样率降到Fs。[/center]


   可变分辨率的Flex II ADC——完全可自定义的模拟ASIC
Flex II ADC是一个增强型的多位DS ADC。与简单的单比特DS ADC的结构相比,Flex II ADC的关键增强之处使其性能出众成为可能,这些关键增强之处如下:
    · 调制器内部的多比特ADC和DAC
    · 数字线性化和校准
   · 时间连续环路滤波器

   图8描述了Flex II ADC(一个增强型DS ADC)的结构框图。

[center]图8增强型多位DS ADC的结构框图[/center]


    调制器内部的多位ADC和DAC


    由于消除了许多高频噪声,单比特DS ADC拥有极宽的动态范围。然而,单比特DS ADC的主要缺陷在于工作频率低,因而在许多需要在更高频率操作的应用中无法使用。


    解决单比特DS ADC的频率限制问题的一个方法是,引申同样的基本原理以创建一个多位DS ADC。理论上,多位DS ADC能够达到与单比特DS ADC同样水平的动态范围,而且是在更高的频率。然而,多位DS ADC引入了非线性,直到目前,非线性仍是一个有待克服的难题。


    PXI-5922是一个6位DS,其主要特点在于在调制器内部有6位ADC和DAC各一个,两者均以120 MS/s的过采样率运行。我们采用专利方法对此多位DS ADC进行线性化处理,因此,与常用的传统单比特DS ADC相比,数字化仪在高得多的频率达到了前所未有的动态范围。

    数字线性化与校准

    
    调制器内部的反馈环路的一个良好特性便是抑制误差的能力。不幸的是,它不能抑制环路的反馈通路上的误差。因此,DAC中的转换误差不能被衰减,从而直接影响了调制器的转换质量。DAC从以下两个方面降低了整个转换的质量:


    · 输出中的模拟噪声

    · 非线性


    噪声性能可以通过ASIC的设计得到控制,但所需的线性度性能更难处理。


    考虑一下图9所示的简单的2位DAC。DAC转换器由三个电流发生器(I1-I3)组成,它们分别由三个开关(S1-S3)控制。最终的输出电流Iout取决于闭合的开关的数目。如果三个电流值不相同,那么DAC的转移函数呈非线性,如图9所示。对于转换器的理想操作,三个电流发生器必须是同等的,而且开关S1-S3必须同时操作。
[center]图9 如果电流值不同或没有同时开关,一个2位DAC及其对应的转移函数呈非线性。[/center]


    DAC的最佳实现是在一块集成电路上完成,以保证电流值和开关时间的最可能的匹配。不幸的是,即使在同一个芯片上也无法达到所要求的性能。


    在一个芯片上匹配增强的传统方法是调整电路,如通过激光修剪晶片。但封装、老化和温度变化都将降低匹配效果,而且,修剪也显著增加了芯片的生产成本。


    为了避开这些问题,PXI-5922采用了不同的途径——通过DSP已数字方式补偿难以避免的匹配误差。使用NI专利的灵活分辨率技术,在自校准时在电路中导出电流和定时的误差,这样比晶片层次上的匹配更为理想。


    NI的灵活分辨率技术被用于误差参数的导出。在自校准时,将一个纯模拟正弦波信号注入到转换器,然后,根据在主机上执行的一个复杂算法从转换器的数字响应提取误差。

[center]图10 将一个纯3 kHz正弦波注入到6位DS ADC的FFT曲线图(线性化之前)[/center]
[center]图11 将一个纯3 kHz正弦波注入到6位DS ADC的FFT曲线图(线性化之后)[/center]


    时间连续的环路滤波器

    
    与传统所用的标准开关电容滤波器相反,Flex II ADC内部的环路滤波器是时间连续的(TC)。由于需要精密无源器件,很难实现TC集成在芯片上。然而,TC实现对混叠不敏感,所以调制器的内部噪声源在通带不会产生混叠和积累。结果,该转换器噪声更少,而且分辨率更高。另一个重要的益处就是,由于转换器的无混叠操作摒弃了高频开关噪声,所以将转换器集成到数字化仪所在的环境就更容易了。


    由于无法将这些增强部分集成在一个芯片上,因而那些过去一直在推动转换器技术发展的组件厂商不能够提供类似性能。


    它不仅仅只有高分辨率ADC

    
    除了有一个高性能ADC,有一个不会造成性能瓶颈的前端也很重要。PXI-5922的特点在于有一个世界级的模拟前端,这个前端充分利用高性能的Flex II ADC,并允许数字化仪提供无与伦比的性能。


    输入放大器的输入阻抗是软件可选择的,50 W或1 MW。50 W的输入提供正确的BNC电缆端接,这在频率响应很重要的应用中是非常有用的。对于驱动50 W而会导致饱和或线性度降低的信号源,1 MW的输入模式是非常有用的。


    数字化仪包含一个可选输入范围为±1伏或±5伏的可编程增益测量放大器(PGIA)。

    同步与存储核心

    
    PXI-5922是基于同步与存储核心1(SMC)构架构建的,所以您可以使用T-Clock2技术(SMC的一个基本组成),实现PXI-5922模块与其他基于SMC的模块化仪器的高精度同步。在搭建包括信号发生器、高速数字波形发生器/分析仪和数字化仪的混合信号测试系统时,这种同步能力是非常关键的。另外,SMC构架为PXI-5922数字化仪提供每通道高达256 MB的板上存储。

    PXI-5922的性能示例

    
    PXI-5922是市场上动态范围最宽的数字化仪。对于该数字化仪的频率-分辨率曲线图的大部分,目前没有一个ADC能有更好的性能,更不要说数字化仪器了。同样,没有一个信号发生器的动态性能强于PXI-5922。这主要意味着两件事情:首先,该数字化仪可用来刻画在其频带内的大多数DAC的频率特性;其次,没有一个信号源能够产生一个足够纯的正弦波,以刻画PXI-5922特性。通过使用创新技术测量线性度、SFDR和SINAD等,我们克服了这个挑战。本章节将通过一些典型的性能图展示PXI-5922的性能。

    线性度和SFDR

    对于单个正弦波输入,非线性表现为频域内的谐波。为了测试一个ADC的谐波,进而测试线性度,我们需要一个线性度更好的信号源。由于没有与PXI-5922性能匹配的信号源可用,很难验证PXI-5922的线性度性能。因此,我们需要使用有源低通滤波,以衰减非理想正弦波产生的谐波。


    图12是一个满量程5 Vp的正弦波的频谱响应(由PXI-5922采集得,采样率200 kS/s,输入范围±5 V)。该频谱不包含超过-120 dB的寄生成分,形成120 dBc的非寄生动态范围(SFDR)。


    注意频谱中的低频噪声来自信号源。滤波器衰减了信号源中频率超过30 kHz的噪声,其余出现在频谱中的噪声是有源滤波器造成的,而不是信号源。


[center]图12采集一个很纯的10 kHz正弦波(由高端发生器产生并经信号调理清洁)所得信号的FFT的曲线图。这里PXI-5922的SFDR高达120 dBc。
[/center]


    上述技术在低频(低于100 kHz)时工作得很好。但对于验证更高频率的线性度,由于很难找到线性度足够好的放大器,所以不能使用有源滤波。为了验证PXI-5922在更高频率的线性度,我们使用了一种不同的方法,其中包括使用任意波形发生器产生一个非理想的正弦波。通过一个线性陷波滤波器衰减基波,准确检测来自发生器的谐波成为可能。然后,修改发给发生器的数字模式就可以迭代消除谐波。


    图13描述了PXI-5922的典型SFDR与频率的函数关系。用PXI-5922(采样率10 MS/s、范围±5 V)采集振幅为4 V的单纯正弦波。对于1 MHz以下的所有频率,谐波成分都比100dBc低得多。
[center]图13典型的SFDR与频率的函数关系[/center]


    SINAD
    
    和线性度相似,找到一个噪声性能与PXI-5922的低噪声相匹配的信号源也是不可能的。图14中的图形是这样得到的:一个任意波形发生器产生了一个幅度为5 V的1 kHz正弦波,再由PXI-5922采集(采样率100 kS/s、输入范围±5 V),最后该输出经过低阻抗分阻器衰减至原信号1/10,000。该衰减操作使发生器的固有噪声降低了80dB,从而展示出PXI-5922的真正噪声性能。注意尽管幅度很小(500 µV),但信号看起来还是很干净。信噪比是43 dB,要优于满量程下的许多数字示波器。这样的性能实际上超过了20位的分辨率。
[center]图14 PXI-5922的低噪声和高SINAD使它采集低水平信号成为可能。这里1 kHz正弦波的幅度为500 µV,但信号还是表现得很干净。[/center]


   另一种评价噪声性能的方法就是,没有输入信号,直接采集数据。图15描述了采样率为10 MS/s时的噪声本底的FFT曲线图。频谱中从DC到4 MHz累积的功率相当于满量程的-95 dB,这几乎与16位的分辨率相当。我们也注意到系统中没有寄生噪声成分。噪声在频谱中的不均匀分布是前面讨论的调制器中量化噪声整形所造成的。
[center]图15没有信号输入时PXI-5922采集的信号的FFT曲线图。采集参数包括:采样率10 MS/s、输入阻抗50 Ω、输入范围±5 V、参加平均的数目10和加汉宁(Hanning)窗。[/center]


   抗混叠保护


   PXI-5922集成了一个抗混叠滤波器,可以提供一个带宽为0.4倍采样率的无混叠频带,如图16所示的概念性频率响应框图。
[center]图16 PXI-5922的特点在于无混叠带宽为0.4倍采样率(Fs)的集成式抗混叠保护。[/center]


    图17和18展示了数字化仪的抗混叠保护。以采样率2 MS/s采集满量程的600 kHz正弦波,符合奈奎斯特定理。如图17所示,600 kHz信号像预期那样出现在同一频率。然而,当采样率降到1Ms/s时,违背了奈奎斯特定理。如图18所示,600 kHz信号在通带中的400 kHz处产生混叠。由于抗混叠滤波器的存在,这个混叠成分被衰减了100dB。
[center]图17 以采样率2 MS/s采集满量程的600 kHz正弦波。频谱中的毛刺和噪声源自信号发生器。[/center]


[center]图18 以采样率1 MS/s采集满量程的600 kHz正弦波,且无混叠带宽为400 kHz。600 kHz信号在400 kHz处产生的混叠被衰减了100dB。[/center]

   结论
   
   
   PXI-5922,通过使用专利技术和完全定制的模拟ASIC——Flex II ADC,已成为采样率高达15 MS/s的市场上可提供最高分辨率和最宽动态范围的数字化仪。灵活的分辨率和极宽的动态范围使PXI-5922成为动态测量的通用仪器。与软件相结合,这个通用仪器能用来替代许多传统仪器。


   专利

   6,049,298

   生产一个用于模拟-数字转换器的线性度误差纠正设备的系统和方法


   6,020,838  

   生产一个使用矩阵计算线性度误差纠正相关系数的DS纠正电路的系统和方法


   5,955,979  

   补偿D/A转换器中的干扰误差的系统和方法


   5,734,261  

   包括在过电压条件下的光耦合保护的输入保护电路


   参考文献

   1. “NI同步与存储核心——混合信号测试的新构架”技术白皮书

   2. “用于模块化仪器的定时和同步的NI T-Clock技术”白皮书














































































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