引言
對正弦波進(jìn)行精確數字化的能力是高分辨率 AD 轉換器保真度的一項敏感度測試。該測試需要一個(gè)具接近 1ppm 殘留失真分量的正弦波發(fā)生器。此外，還需要一個(gè)基于計算機的 AD 輸出監視器，用于讀取和顯示轉換器輸出頻譜成分。若想以合理的成本和復雜程度來(lái)實(shí)施此項測試，就必需進(jìn)行其元件的設計并在使用之前完成性能驗證。
 
概要
圖 1 給出了系統的示意圖。一個(gè)低失真振蕩器通過(guò)一個(gè)放大器來(lái)驅動(dòng) AD。AD 輸出接口對轉換器輸出進(jìn)行格式化，并與負責執行頻譜分析軟件和顯示結果數據的計算機進(jìn)行通信。

圖 1：AD 頻譜純度測試系統方框圖。假設采用了一個(gè)無(wú)失真的振蕩器，由計算機負責顯示因放大器和 AD 失真產(chǎn)生的富里葉 (Fourier) 分量
 
振蕩器電路
振蕩器是系統中難度最大的電路設計部分。為了對 18 位 AD 進(jìn)行有意義的測試，振蕩器的不純度必須超低，而且這些特性必須采用獨立的方法加以驗證。圖 2 基本上是一款“全反相”2kHz 維氏 (Wien) 電橋設計 (A1-A2)，其在哈佛大學(xué) Winfield Hill 所做研究工作的基礎上進(jìn)行。原始設計的 J-FET 增益控制被一個(gè) LED 驅動(dòng)的 CdS 光電管隔離器所替代，從而消除了由 J-FET 電導率調制引起的誤差，同時(shí)也就不必為最大限度地減少這些誤差而進(jìn)行微調。限帶的 A3 負責接收 A2 輸出和 DC 失調偏置，并通過(guò)一個(gè) 2.6kHz 濾波器提供輸出以驅動(dòng) AD 輸入放大器。用于 A1-A2 振蕩器的自動(dòng)增益控制 (AGC) 信號由負責給整流器 A5-A6 饋電的 AC 耦合 A4 從電路輸出 (“AGC 檢測”) 獲取。A6 的 DC 輸出表示電路輸出正弦波的 AC 幅度。利用終接至 AGC 放大器 A7 的電流求和電阻器來(lái)使該數值與 LT^®1029 基準保持平衡。驅動(dòng) Q1 的 A7 通過(guò)設定 LED 電流 (因而還包括 CdS 光電管電阻) 來(lái)閉合增益控制環(huán)路，從而穩定振蕩器輸出的幅度。盡管這會(huì )衰減 A3 和輸出濾波器的帶限響應，但從電路的輸出獲得增益控制反饋信息可保持輸出幅度。另外，它還對 A7 環(huán)路閉合動(dòng)態(tài)特性提出了要求。確切地說(shuō)，A3 的頻帶限制與輸出濾波器 A6 的滯后及紋波抑制組件 (在 Q1 的基極中) 相組合，可產(chǎn)生顯著(zhù)的相位延遲。A7 上的一個(gè) 1μF 主極點(diǎn)和一個(gè) RC 零點(diǎn)一起提供了該延遲，從而實(shí)現了穩定的環(huán)路補償。這種方法用簡(jiǎn)單的 RC 滾降濾波器取代了嚴密調諧的高階輸出濾波器，從而在保持輸出幅度的同時(shí)最大限度地降低了失真¹。


圖 2：維氏電橋 (Wien Bridge) 振蕩器在信號通路中采用反相放大器，可實(shí)現 3ppm 失真。LED 光電管取代了常用的 J-FET 作為增益控制器，從而消除了電導率調制所引起的失真。與 A3 相關(guān)的濾波衰減通過(guò)在電路輸出端檢測 AGC 反饋來(lái)補償。DC 失調施加偏壓使輸出進(jìn)入 AD 輸入放大器范圍
 
從 LED 偏置中消除與振蕩器有關(guān)的分量是保持低失真的關(guān)鍵。任何此類(lèi)殘留噪聲都將調整振蕩器的幅度，因而引入不純分量。對帶限 AGC 信號正向通路實(shí)施了很好的濾波，而且 Q1 基極中的大 RC 常數提供了最終的陡峭滾降。如圖 3 (Q1 的發(fā)射極電流) 所示，振蕩器相關(guān)紋波在 10mA 的總電流中約為 1nA (小于 0.1ppm)。
 


圖 3：振蕩器 (掃跡 A) 相關(guān)的殘留噪聲 (掃跡 B)，在 Q1 發(fā)射極噪聲中僅依稀可看到 (≈ 1nA，大約為 LED 電流的 0.1ppm)。利用大量 AGC 信號通路濾波獲得的特性可避免調制分量影響光電管響應
 
振蕩器僅通過(guò)一次微調便實(shí)現了其性能。該調整 (其確定了 AGC 捕獲范圍的中心) 是按照原理圖注釋設定的。
驗證振蕩器失真
驗證振蕩器失真需要采用精細的測量方法。嘗試采用傳統失真分析儀 (甚至是高級型分析儀) 來(lái)測量失真會(huì )遭遇局限性。圖 4 示出了振蕩器輸出 (掃跡 A) 及其在分析儀輸出端上的殘留失真指示 (掃跡 B)。在分析儀的噪聲層和不確定性層中，振蕩器相關(guān)動(dòng)作的輪廓描繪是模糊不清的。測試中使用的 HP-339A 規定了一個(gè) 18ppm 的最小可測量失真；這張照片在拍攝時(shí)儀器的指示為 9ppm。這超過(guò)了規格指標而且非�？梢�，因為在測量失真時(shí)如果達到或接近了設備的性能極限，就會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的不確定性²。假如要對振蕩器失真進(jìn)行有意義的測量，則必需使用不確定層非常低和精致的專(zhuān)業(yè)型分析儀。規定了 2.5ppm 總諧波失真 + 噪聲 (THD + N) 限值 (典型值為 1.5ppm) 的 Audio Precision 2722 提供了圖 5 中的數據。如該圖所示，總諧波失真 (THD) 為 -110dB，即大約 3ppm。圖 6 (使用相同的儀器獲得) 示出的 THD + N 為 105dB，即 5.8ppm 左右。在圖 7 所示的最終測試中，分析儀確定了振蕩器的頻譜成分 (以三次諧波為主導，位于 -112dB，即大約 2.4ppm)。這些測量值使人們有信心把該振蕩器應用于 AD 保真度特性分析中。


圖 4：HP-339A 失真分析儀在其分辨率限值范圍外工作會(huì )給出有誤導的失真指示 (掃跡 B)。分析儀輸出包含了振蕩器和儀器特征的不確定組合，不可作為判定依據。掃跡 A 是振蕩器輸出

圖 5：Audio Precision 2722 分析儀測得的振蕩器 THD 為 -110dB，大約 3ppm
 

圖 6：AP-2722 分析儀測得的振蕩器 THD + N ≈ -105dB，大約 5.8ppm
 

圖 7：AP-2722 頻譜輸出顯示三次諧波的峰值為 -112.5dB，≈ 2.4ppm
 
AD 測試
AD 測試通過(guò)其輸入放大器將振蕩器輸出發(fā)送至 AD。此項測試測量了由輸入放大器 / AD 組合所產(chǎn)生的失真分量。AD 輸出由計算機來(lái)檢查，計算機將以定量的方式把頻譜誤差分量指示在圖 8 的顯示界面中³。該顯示界面包含了時(shí)域信息 (其示出了集中于轉換器工作范圍內的偏置正弦波)、一個(gè)富里葉變換 (指示了頻譜誤差分量) 和詳細的表列讀數。被測試的 LTC^®2379 18 位 AD / LT6350 放大器組合產(chǎn)生了 -111dB (約 2.8ppm) 的二次諧波失真，而較高頻率的諧波則遠低于該水平。這表明 AD 及其輸入放大器處于正確的運作狀態(tài)和規格范圍之內。要想實(shí)現振蕩器與放大器 / AD之間的諧波消除，則必需測試多個(gè)放大器 / AD 樣本以增加測量的置信度⁴。

圖 8：圖 1 所示測試系統的部分顯示包括時(shí)域信息、富里葉頻譜曲線(xiàn)圖以及詳細的表列讀數 (針對由 LT6350 放大器驅動(dòng)的 LTC2379 18 位 AD)
 
注 1：這有點(diǎn)類(lèi)似于使食物通過(guò)絞肉機來(lái)制作濃湯。
 
注 2：在或接近設備性能限制的條件下進(jìn)行的失真測量充滿(mǎn)了令人不快的驚訝。請參見(jiàn)《LTC 應用指南 43》 “橋式電路” (Bridge Circuit) 附錄 D “了解失真測量”(Understanding Distortion Measurements)，作者是 Audio Precision 公司的 Bruce Hofer。
 
注 3：凌力爾特提供了測試所必需的輸入放大器 / AD 轉換器、計算機數據采集和時(shí)鐘電路板。軟件代碼可登錄 www.linear.com.cn 網(wǎng)站下載。詳情請見(jiàn)附錄 A “用于A(yíng)D 保真度測試的工具”。
 
注 4：相關(guān)注釋請仔細研究正文部分中的“驗證振蕩器失真”和腳注 2。
 
附錄 A
 
用于 AD 保真度測試的工具

可提供用于實(shí)施正文所述之 AD 測試的電路板。表 1 列出了電路板功能及其產(chǎn)品型號。另外，計算機軟件 PScope也可從凌力爾特獲取或訪(fǎng)問(wèn) www.linear.com.cn 網(wǎng)站下載。
 
表 1

* 可以使用任何能夠驅動(dòng) 50Ω 負載的穩定、低相位噪聲 3.3V 時(shí)鐘。