如何正確使用數(shù)字化儀前端信號(hào)調(diào)理？（二）

在上期文章如何正確使用數(shù)字化儀前端信號(hào)調(diào)理？（一）中，我們?yōu)榇蠹医榻B了數(shù)字化儀前端電路所需的特性以及使用過程中需要的輸入抗阻和輸入耦合，本期文章將為您介紹數(shù)字化儀前端信號(hào)調(diào)理的使用過程中所需的輸入電壓范圍，與您分享一些改善信號(hào)完整性的小技巧以及數(shù)字化儀的內(nèi)置校準(zhǔn)功能。

一、輸入電壓范圍

數(shù)字化儀內(nèi)部的核心ADC通常具有固定的輸入量程。最簡單的直連接口同樣也只能提供一個(gè)固定量程，該量程與ADC的輸入量程匹配。這種方式雖然簡單，但在測量儀器中并不實(shí)用，除非這單一的量程恰好是用戶需要使用的量程。而如果要將輸入信號(hào)幅值調(diào)整到ADC的量程范圍內(nèi)，就需要有一個(gè)衰減器或放大器。

1.衰減器

其中衰減器是一種簡單的電壓分壓器，通常為阻性分壓，可以降低輸入信號(hào)的幅值。當(dāng)使用優(yōu)質(zhì)元件設(shè)計(jì)和制作時(shí)，通常不會(huì)顯著降低信號(hào)的完整性。當(dāng)衰減器在插入到信號(hào)路徑中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)問題是，儀器內(nèi)部噪聲幅值等效到衰減前的強(qiáng)度會(huì)隨著前端衰減比的變化而變化。比如，如果原本一個(gè)具有58 μV RMS噪聲水平的數(shù)字化儀，在添加一個(gè) 10:1 的衰減器后，噪聲水平相等效到輸入端則是580 μV。也就是說，在增加衰減后，噪聲水平相對(duì)于新的全量程范圍仍然有相同的百分比比例。

2.放大器

放大器則是另一回事。即使具有正確設(shè)計(jì)，它們通常也會(huì)將額外的噪聲引入信號(hào)路徑，但同時(shí)，放大器的增益又會(huì)降低內(nèi)部噪聲等效到輸入端的幅值，這種現(xiàn)象在某種程度上說也是一種對(duì)精度的補(bǔ)償。放大器還可能引入失真，而進(jìn)一步降低信號(hào)完整性。放大器的另一個(gè)限制是它們具有固定的增益帶寬積。如果您希望增加它們的增益，則帶寬必然會(huì)相應(yīng)地降低。您還可以在高靈敏度范圍參數(shù)中看到這一點(diǎn)，該參數(shù)對(duì)應(yīng)的帶寬也會(huì)被降低。

輸入電壓范圍的選擇是數(shù)字化儀設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵課題，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)信號(hào)的完整性產(chǎn)生重大影響。但同時(shí)，它也為用戶提供了更大的靈活性，使用戶可以根據(jù)可用的信號(hào)幅度更好地匹配ADC輸入范圍。數(shù)字化儀制造商提供了各種處理這種權(quán)衡的方法。通常，他們會(huì)從提供單一固定輸入范圍開始，然后逐漸將設(shè)計(jì)工作服務(wù)對(duì)象從ADC制造商轉(zhuǎn)移到關(guān)注應(yīng)用所需正確量程范圍的最終用戶，最終提供多種輸入路徑。多個(gè)輸入路徑配合帶緩沖路徑，提供了最大的輸入范圍和終端負(fù)載的靈活性，此外50Ω高頻（HF）路徑，則通過提供較少的輸入范圍和固定的50Ω負(fù)載電阻，提供了最高的帶寬和最佳的信號(hào)完整性。

圖3所示的結(jié)構(gòu)框圖展示了德思特TS-M4i系列板卡式數(shù)字化儀的模擬輸入通道前端架構(gòu)，該前端部分包括兩個(gè)輸入路徑。

圖3：德思特TS-M4i數(shù)字化儀的前端架構(gòu)框圖，其中含有全功能前端所需的各種元素，包括雙輸入路徑、耦合、終端阻抗、濾波和內(nèi)部校準(zhǔn)源

在我們的設(shè)計(jì)中，高頻路徑為提供盡量大的帶寬和盡量好的信號(hào)保真度而優(yōu)化。而緩沖路徑則通過提供更多的、范圍更廣的量程選擇，為用戶提供更大的靈活性。用戶可以根據(jù)實(shí)際測量需求選擇最佳的輸入路徑。

表1展示了14位、500 MS/s數(shù)字化儀（TS-M4i.445x型號(hào)）中兩種路徑的參數(shù)比較。

表1：14位、500 MS/s數(shù)字化儀中高頻路徑和緩沖路徑的特性比較

圖4提供了對(duì)數(shù)字化儀500 mV量程檔上256級(jí)臺(tái)階波形的高頻和緩沖路徑響應(yīng)對(duì)比。在這張圖中，我們看到的是每條路徑中的單個(gè)臺(tái)階數(shù)據(jù)，請(qǐng)注意，我們?yōu)槊織l路徑選擇了相鄰的臺(tái)階，因此它們并不重疊。

圖4：高頻路徑和緩沖路徑響應(yīng)的差異

請(qǐng)注意，盡管緩沖路徑的帶寬僅為高頻路徑的一半，但其峰峰值噪聲水平還更高一些。

我們可以觀察到，緩沖路徑的峰峰值噪聲水平明顯高于高頻路徑。高頻路徑的設(shè)計(jì)為盡可能小的噪聲而優(yōu)化，因此盡管其帶寬是緩沖路徑的兩倍，仍能顯示出較少的噪聲。而為此性能付出的代價(jià)就是減少了可用的輸入量程范圍數(shù)量，并需要使用固定的50Ω終端負(fù)載。也因此，如果您選擇的其他數(shù)字化儀只能提供緩沖路徑，或與之等效的前端通道，那么您將被迫引入較高的噪聲水平。

接下來，再來看這些波形的直方圖（如圖5所示），我們可以看到高頻路徑的平均值的分散度小于緩沖路徑的分散度。這意味著高頻路徑的噪聲或畸變更小。

圖5：高頻和緩沖信號(hào)路徑的數(shù)據(jù)值直方圖，其中高頻路徑分布較窄，說明噪聲水平更低

而這種現(xiàn)象的度量參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差。在這個(gè)例子中，高頻路徑的標(biāo)準(zhǔn)差為0.125 mV，而緩沖路徑的標(biāo)準(zhǔn)差為0.183 mV。這為兩個(gè)信號(hào)路徑之間相同的輸入信號(hào)的噪聲水平差異提供了量化依據(jù)。當(dāng)然，我們應(yīng)當(dāng)注意，這兩個(gè)響應(yīng)之中也包含有信號(hào)源和數(shù)字化儀本身的噪聲成分。

高頻信號(hào)完整性更高的優(yōu)勢(shì)，也可以通過數(shù)字化儀分別使用兩個(gè)輸入信號(hào)路徑獲取到的正弦波對(duì)應(yīng)的頻率譜中看出，如圖6所示。在這里面，左右兩個(gè)窗格對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)輸入路徑獲取的信號(hào)的快速傅立葉變換（FFT）結(jié)果。紅色和藍(lán)色光標(biāo)分別標(biāo)記了頻譜峰和最高雜散峰的峰值。從中可得知高頻路徑的無雜散動(dòng)態(tài)范圍為80.9 dB，而緩沖路徑為60.7 dB。此外，我們還可以發(fā)現(xiàn)，高頻信號(hào)路徑中的噪聲基線更低一些。

圖6：比較緩沖（左側(cè)）和高頻（右側(cè)）路徑的頻譜

這里測得高頻路徑的無雜散動(dòng)態(tài)范圍為80.9 dB，而緩沖路徑為60.7 dB。

二、改善信號(hào)完整性的小技巧

無論您選擇哪種信號(hào)路徑，都有一些通用的技巧可以幫助您獲得最佳信號(hào)完整性。最重要的一點(diǎn)就是盡可能多地利用輸入量程范圍。如果信號(hào)具有穩(wěn)定的幅度，則選擇至少使用90％范圍的輸入量程。但同時(shí)，也應(yīng)避免超過ADC量程的情況發(fā)生。一旦超過滿量程范圍，結(jié)果將是失真或削波，而這將產(chǎn)生我們不希望的諧波并且降低信號(hào)的完整性。

如果你選用的數(shù)字化儀有內(nèi)置帶通濾波器，可以考慮將其啟用，來幫助降低噪聲。在德思特?cái)?shù)字化儀中，其前端模擬信號(hào)處理部分，有一個(gè)20 MHz低通濾波器，可以選擇啟用來限制數(shù)字化儀的帶寬。如果輸入信號(hào)在20 MHz以上沒有有用內(nèi)容，則可以使用濾波器減少20 MHz以上的噪聲通過，以改善采集到的信號(hào)的信噪比。

三、內(nèi)置校準(zhǔn)

德思特推出的所有數(shù)字化儀通道在發(fā)貨前均經(jīng)過工廠校準(zhǔn)。但由于板卡式數(shù)字化儀被集成到PC環(huán)境中，而PC的電源電壓和內(nèi)部溫度可能會(huì)存在較大波動(dòng)，因此這些板卡式數(shù)字化儀的軟件驅(qū)動(dòng)程序都提供了自動(dòng)的板上自校準(zhǔn)程序，校準(zhǔn)對(duì)象包括偏置值和增益（緩沖信號(hào)路徑），并且會(huì)針對(duì)所有輸入量程范圍。每張數(shù)字化儀板卡上都包含一個(gè)高精度的內(nèi)置校準(zhǔn)參考源。這是一個(gè)很棒的特性，可以幫助數(shù)字化儀在環(huán)境變化和本身老化的情況下保持校準(zhǔn)狀態(tài)。推薦的校準(zhǔn)程序使用時(shí)機(jī)是在數(shù)字化儀持續(xù)運(yùn)行了足夠的時(shí)間，達(dá)到了穩(wěn)定的運(yùn)行溫度后再進(jìn)行校準(zhǔn)，這個(gè)預(yù)熱時(shí)間通常在10到15分鐘。

END

德思特板卡式數(shù)字化儀的模擬通道前端提供了確保準(zhǔn)確、可重復(fù)測量所需的各種必備功能和特性。多量程范圍、交流/直流耦合、濾波和內(nèi)置校準(zhǔn)功能都有助于確保信號(hào)的最大完整性和準(zhǔn)確性。我們堅(jiān)信，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的模擬前端將允許用戶恰到好處地處理輸入信號(hào)，并盡可能確保輸入信號(hào)能覆蓋核心ADC的量程范圍，而又不會(huì)超限。只有這樣，數(shù)字化儀才能實(shí)現(xiàn)最佳的測量準(zhǔn)確性和精度。

關(guān)于德思特

德思特是原虹科測試測量事業(yè)部孵化出來的獨(dú)立公司，基于超過10年的業(yè)務(wù)沉淀，德思特公司專注提供電子測試/測量解決方案。主要業(yè)務(wù)范圍涵蓋：汽車電子仿真及測試、射頻微波及無線通信測試、無線頻譜監(jiān)測與規(guī)劃、無線通信（包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車無線通信、軌道交通、衛(wèi)星通信、室內(nèi)無線通信）、半導(dǎo)體測試、PNT解決方案、大物理和光電測試等。

核心成員具有9年以上的測試測量、無線通信及其他相關(guān)行業(yè)資歷；技術(shù)團(tuán)隊(duì)獲得世界五百強(qiáng)PNT解決方案合作伙伴Safran的GNSS技術(shù)及信號(hào)仿真和軟件Skydel培訓(xùn)認(rèn)證證書、航空航天測試和測量合作伙伴Marvin Test 的自動(dòng)化測試軟件ATEasy培訓(xùn)認(rèn)證證書。

德思特研發(fā)部，核心成員獲得國際項(xiàng)目管理師PMP認(rèn)證資質(zhì)，并具備LabVIEW、python等多種編程語言能力，優(yōu)勢(shì)能力集中于：HIL測試，半導(dǎo)體測試，EOL測試和質(zhì)量檢測等多種系統(tǒng)研發(fā)集成，擁有10多個(gè)實(shí)用新型和專利授權(quán)。

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審核編輯 黃宇