正弦波敏感度测试之A→D转换器的保真度测试

引言

对正弦波进行精确数字化的能力是高分辨率 A→D 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 A→D 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 A→D。A→D 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。

图 1：A→D 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大器和 A→D 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 A→D 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-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 A→D 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 A4 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 LT 1029 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 1μF 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。

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 失调施加偏压使输出进入 A→D 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 0.1ppm)。 [p]

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。

验证振荡器失真

验证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 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 A→D 保真度特性分析中。

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

图 5：Audio Precision 2722 分析仪测得的振荡器 THD 为 -110dB，大约 3ppm

图 6：AP-2722 分析仪测得的振荡器 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，≈ 2.4ppm

A→D 测试

A→D 测试通过其输入放大器将振荡器输出发送至 A→D。此项测试测量了由输入放大器 / A→D 组合所产生的失真分量。A→D 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 LTC 2379 18 位 A→D / 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 A→D 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 / A→D之间的谐波消除，则必需测试多个放大器 / A→D 样本以增加测量的置信度4。 [p]