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作者：凌力爾特技術(shù)公司Jim Williams與Guy Hoover 對(duì)高分辨率ADC保真度有一種靈敏的測試，那就是忠實(shí)地?cái)?shù)字化一個(gè)正弦波的能力。這個(gè)測試要求有一臺(tái)殘余失真接近1ppm(百萬分之一)的正弦波發(fā)生器。另外，它還要求有一個(gè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的ADC輸出監(jiān)控器，用于讀出并顯示轉(zhuǎn)換器輸出的頻譜分量。要以合理的成本和復(fù)雜性完成這個(gè)測試，就要在使用前驗(yàn)證其 部件的結(jié)構(gòu)與性能。低失真振蕩器通過一個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)ADC(圖1)。ADC的輸出接口對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出做格式化，并與計(jì)算機(jī)通信。計(jì)算機(jī)上運(yùn)行頻譜分析軟件，并顯示出計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)。 
振蕩器電路 系統(tǒng)的振蕩器是電路中最難設(shè)計(jì)的部分。直覺上振蕩器必須具有低的雜波水平，18位ADC的測量才能有意義。然后，還必須使用獨(dú)立的方式，驗(yàn)證這些低雜波特性。
設(shè)計(jì)源于Winfield Hill的一項(xiàng)工作，他是哈佛大學(xué)羅蘭學(xué)院電子工程實(shí)驗(yàn)室的主任。以后可以將此設(shè)計(jì)用于2kHz的Wien橋設(shè)計(jì)(圖2)。所有放大器都以反相方式使用，這樣可以消除信號(hào)路徑中的CMRR(共模抑制比)誤差。 低失真放大器A1和A2是本款振蕩器中的有源元件。原設(shè)計(jì)中的JFET會(huì)帶來傳導(dǎo)調(diào)制誤差，因此可以用一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)的CdS(硫化鎘)光電隔離器代替它。然后將A2的輸出與A3輸入端的濾波DC偏移結(jié)合起來。A3反饋網(wǎng)絡(luò)中的電容限制了放大器的帶寬。這個(gè)2.6kHz濾波器的輸出驅(qū)動(dòng)待測ADC的輸入放大器。
A1/A2振蕩器需要AGC(自動(dòng)增益控制)，因此，將電路的輸出用交流耦合到一個(gè)高阻低噪聲的JFET輸入放大器A4，后者再饋至精密整流器A5。A5再驅(qū)動(dòng)積分器A6。A6的直流輸出表示了電路輸出正弦波的交流幅度。 電流匯總電阻可以用于平衡針對(duì)凌力爾特技術(shù)公司LT1029 IC所產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的直流值。電流匯總電阻饋入AGC單電源放大器A7。這個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)Q1，設(shè)定LED的電流。LED電流封閉了增益控制回路，因?yàn)樗罱K改變了CdS芯的電阻，從而穩(wěn)定振蕩器的輸出波幅。 通過獲得電路輸出的增益控制反饋，維持了輸出的波幅，而與A3以及輸出濾波器的衰減與帶寬限制響應(yīng)無關(guān)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還對(duì)放大器A7的閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能提出了要求。A3的帶寬限制、輸出濾波器、A6的滯后，以及連接到Q1基極的紋波抑制元件相互結(jié)合，產(chǎn)生了一個(gè)明顯的相位延遲。可以在A7的主極上用一只1μF電容配合一個(gè)零值RC(電阻/電容)吸收這個(gè)延遲，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的回路補(bǔ)償。這種方法代替了經(jīng)精細(xì)調(diào)整、有簡單RC滾降響應(yīng)的高階輸出濾波器，最大限度減小了失真，維持了輸出波幅的恒定不變。 關(guān)鍵是要從LED偏移中消除與振蕩器相關(guān)的信號(hào)分量，以維持低的失真。任何這類殘留成分都會(huì)調(diào)制振蕩器的波幅，從而引入不純凈的頻率分量。帶寬限制的AGC信號(hào)路徑有很好的濾波。 Q1基極大的RC時(shí)間常數(shù)提供了一個(gè)陡峭滾降的最終響應(yīng)。Q1的射極電流表明，10mA總電流中有大約1nA振蕩器相關(guān)紋波，這小于0.1ppm (圖3)。振蕩器只需要一只100Ω電位器就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)性能。這個(gè)調(diào)節(jié)符合圖2中的說明，并確定了AGC捕捉區(qū)間的中點(diǎn)。 振蕩器的失真 驗(yàn)證振蕩器的失真需要復(fù)雜的測量技術(shù)。如果試圖用傳統(tǒng)的失真分析儀去測量，就會(huì)遇到一些限制，哪怕采用了高端機(jī)型。示波器可以用于顯示分析儀輸出端的殘留失真(圖4)。對(duì)于任何與振蕩器有關(guān)的信號(hào)活動(dòng)，放大器的本底背景都顯示出微弱的噪聲與不確定性。
惠普公司的HP-339A分析儀給出了18ppm的最小可測失真。圖中顯示儀器讀數(shù)為9ppm，這超出了設(shè)備的規(guī)格，因此高度存疑。測得的失真等于或接近于設(shè)備極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的不確定性，接近于設(shè)備極限的失真測量很難有令人滿意的結(jié)果(參考文獻(xiàn)1)。
要對(duì)振蕩器失真做有意義的測量，就需要使用低不確定性本底的專用分析儀。Audio Precision公司的2722分析儀有最大2.5ppm的THD+N (總諧波失真+噪聲)，典型THD+N為1.5ppm。該儀器對(duì)振蕩器的THD做了三次測量，得出的THD值為：在3ppm、5.8ppm和2.4ppm時(shí)分別為 -110dB、-105dB和-112dB(圖5)。這些測量結(jié)果為將該振蕩器用于確定ADC保真度特性提供了信心。 ADC測試 在測試ADC時(shí)，將振蕩器輸出連接到ADC的輸入放大器上。測量的是ADC與ADC輸入放大器聯(lián)合產(chǎn)生的失真。然后用一臺(tái)計(jì)算機(jī)檢查ADC的輸出，它量化表示出了頻譜誤差的分量(圖6)。
從凌力爾特技術(shù)公司網(wǎng)站上可以下載到用于測量的代碼，并獲得輸入放大器、ADC、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集，以及時(shí)鐘電路板。相關(guān)部件包括：一只晶振、凌力爾特技術(shù)公司的LT6350放大器、LTC1279 ADC、DC718接口卡以及能夠驅(qū)動(dòng)50Ω的任何一種穩(wěn)定的低相位噪聲3.3V時(shí)鐘。 計(jì)算機(jī)顯示的內(nèi)容包括時(shí)域的信息，給出了定位于轉(zhuǎn)換器工作區(qū)間中心的偏移正弦波。它還顯示了詳細(xì)的列表讀數(shù)，以及一個(gè)指示出頻譜誤差分量的傅里葉變換。待測的放大器/ADC組合產(chǎn)生-111 dB的二次諧波失真，大約為2.8 ppm。較高頻的諧波遠(yuǎn)低于這個(gè)水平，表明ADC及其輸入放大器都工作正常，并處于規(guī)格范圍內(nèi)。諧波抑制可能出現(xiàn)在振蕩器與放大器/ADC組合之間，這就要求對(duì)放大器/ADC樣品做多次測試，增加對(duì)測量的信心。 參考文獻(xiàn) 1. Williams, Jim, “Bridge Circuits: Marrying Gain and Balance,” Application Note 43, Linear Technology, June 1990. |
