全球動態范圍最高的數字化儀的可變分辨率技術

簡介
PXI-5922是一臺具有靈可變分辨率的數字化儀，它可調整使用不同的采樣率采集數據，以達到實際應用所需的可變分辨率。例如，在低采樣率(最高達500 kS/s)時，PXI-5922的分辨率達24位。無須任何改變，該模塊便可降低分辨率以提高采樣速率。下圖便是該數字化儀的頻率-分辨率曲線圖。

由于其分辨率靈活可變以及動態范圍寬的特性，PXI-5922成為業界第一款適用于各種動態信號測量的通用儀器。正如數字萬用表(DMM) 用作DC測量 (如電壓、電流和電阻等) 的通用測量設備，PXI-5922使一臺儀器具備了多臺儀器的測量能力，實現了AC測量的變革。結合功能強大的開發軟件（如NI LabVIEW），該數字化儀在高達15 MS/s的采樣率范圍具有無與倫比的性能，可以用來替代許多傳統儀器（如音頻分析儀、頻譜分析儀、IF數字化儀、DC和RMS伏特計和頻率計數器等）的測量能力。

包括音頻、通信和超聲的許多應用都要求極高的動態性能。傳統儀器的性能雖已有所改進，但仍落后于分辨率和動態范圍的需求。而在另一方面，PXI-5922前所未有地大幅提升了動態范圍和分辨率，如圖2所示。該圖描述了NI測量設備的頻率（一個信號被數字量化的速率）-分辨率（該信號被采集的精確性）關系與傳統數據采集儀器和模塊化儀器的對比差異。

PXI-5922，與其他的虛擬儀器產品相似，利用功能強大的主機完成復雜的、基于算法的線性化和校準，以消除溫度漂移和非線性誤差。雖然計算機可以嵌入到傳統儀器，但從以往實踐來看，這些儀器的冗長的開發周期排除了吸納最新的計算能力的可能。與之相反，隨著計算機能力的增長，新增的計算能力可以立即運用到虛擬測量中。

為什么其它基于PC的數字化儀無法提供PXI-5922那樣的分辨率？這是因為大多數制造商依賴組件廠商提供的現成即用的ADC。直到今天，仍未出現能夠與PXI-5922的性能相媲美的可商用的ADC。PXI-5922的世界級性能成為可能，是因為其特點在于下一代具有靈活分辨率的模擬-數字轉換器——Flex II ADC，它的一部分是在NI設計的完全定制的模擬ASIC上實現的。

PXI-5922的構架

PXI-5922數字化儀的核心之處在于下一代具有可變分辨率的轉換器——基于27 GHz雙極工藝處理的Flex-II ADC。本章節將討論Flex-II ADC（一個增強型多位DS轉換器）的構架。

DS ADC概述

是一個簡單的單比特DS ADC的結構框圖，一般包括一個調制器和一個數字信號處理器（DSP）。

單比特調制器由一個減法節點、一個環路濾波器、一個1位ADC和反饋環路上的一個1位DAC組成。ADC和DAC以比期望的采樣率高得多的速率過采樣。過采樣的結果便是量化噪聲分散在更寬的頻帶上，從而得到比其他ADC構架更低的噪聲本底。
模擬輸入信號通過一個減法節點注入模擬環路濾波器。該濾波器的內在特性——低頻段高增益，高頻段低增益——使它成為一個低通濾波器。來自ADC內部的量化噪聲與環路濾波器的增益成反比。結果，量化噪聲在反饋環路被高通濾波。此項技術被稱為“噪聲整形”，如圖6所示。

這里，量化噪聲的分布發生了變化。這種噪聲分布的優勢在于大多數噪聲集中在更高的頻率，在DSP中應用低通濾波器，可以很容易地在數字域消除這種高頻噪聲。然后，抽取該信號（由于我們在開始時對該信號進行了過采樣，所以抽取不會導致信息丟失），圖7描述了抽取濾波器的作用。

可變分辨率的Flex II ADC——完全可自定義的模擬ASIC
Flex II ADC是一個增強型的多位DS ADC。與簡單的單比特DS ADC的結構相比，Flex II ADC的關鍵增強之處使其性能出眾成為可能，這些關鍵增強之處如下：
· 調制器內部的多比特ADC和DAC
· 數字線性化和校準
· 時間連續環路濾波器

圖8描述了Flex II ADC（一個增強型DS ADC）的結構框圖。
調制器內部的多位ADC和DAC

由于消除了許多高頻噪聲，單比特DS ADC擁有極寬的動態范圍。然而，單比特DS ADC的主要缺陷在于工作頻率低，因而在許多需要在更高頻率操作的應用中無法使用。

解決單比特DS ADC的頻率限制問題的一個方法是，引申同樣的基本原理以創建一個多位DS ADC。理論上，多位DS ADC能夠達到與單比特DS ADC同樣水平的動態范圍，而且是在更高的頻率。然而，多位DS ADC引入了非線性，直到目前，非線性仍是一個有待克服的難題。

PXI-5922是一個6位DS，其主要特點在于在調制器內部有6位ADC和DAC各一個，兩者均以120 MS/s的過采樣率運行。我們采用專利方法對此多位DS ADC進行線性化處理，因此，與常用的傳統單比特DS ADC相比，數字化儀在高得多的頻率達到了前所未有的動態范圍。

數字線性化與校準

調制器內部的反饋環路的一個良好特性便是抑制誤差的能力。不幸的是，它不能抑制環路的反饋通路上的誤差。因此，DAC中的轉換誤差不能被衰減，從而直接影響了調制器的轉換質量。DAC從以下兩個方面降低了整個轉換的質量：

· 輸出中的模擬噪聲

· 非線性

噪聲性能可以通過ASIC的設計得到控制，但所需的線性度性能更難處理。

考慮一下圖9所示的簡單的2位DAC。DAC轉換器由三個電流發生器（I1-I3）組成，它們分別由三個開關（S1-S3）控制。最終的輸出電流Iout取決于閉合的開關的數目。如果三個電流值不相同，那么DAC的轉移函數呈非線性，如圖9所示。對于轉換器的理想操作，三個電流發生器必須是同等的，而且開關S1-S3必須同時操作。

DAC的最佳實現是在一塊集成電路上完成，以保證電流值和開關時間的最可能的匹配。不幸的是，即使在同一個芯片上也無法達到所要求的性能。

在一個芯片上匹配增強的傳統方法是調整電路，如通過激光修剪晶片。但封裝、老化和溫度變化都將降低匹配效果，而且，修剪也顯著增加了芯片的生產成本。

為了避開這些問題，PXI-5922采用了不同的途徑——通過DSP已數字方式補償難以避免的匹配誤差。使用NI專利的靈活分辨率技術，在自校準時在電路中導出電流和定時的誤差，這樣比晶片層次上的匹配更為理想。

NI的靈活分辨率技術被用于誤差參數的導出。在自校準時，將一個純模擬正弦波信號注入到轉換器，然后，根據在主機上執行的一個復雜算法從轉換器的數字響應提取誤差。
時間連續的環路濾波器
與傳統所用的標準開關電容濾波器相反，Flex II ADC內部的環路濾波器是時間連續的（TC）。由于需要精密無源器件，很難實現TC集成在芯片上。然而，TC實現對混疊不敏感，所以調制器的內部噪聲源在通帶不會產生混疊和積累。結果，該轉換器噪聲更少，而且分辨率更高。另一個重要的益處就是，由于轉換器的無混疊操作摒棄了高頻開關噪聲，所以將轉換器集成到數字化儀所在的環境就更容易了。

由于無法將這些增強部分集成在一個芯片上，因而那些過去一直在推動轉換器技術發展的組件廠商不能夠提供類似性能。

它不僅僅只有高分辨率ADC

除了有一個高性能ADC，有一個不會造成性能瓶頸的前端也很重要。PXI-5922的特點在于有一個世界級的模擬前端，這個前端充分利用高性能的Flex II ADC，并允許數字化儀提供無與倫比的性能。

輸入放大器的輸入阻抗是軟件可選擇的，50 W或1 MW。50 W的輸入提供正確的BNC電纜端接，這在頻率響應很重要的應用中是非常有用的。對于驅動50 W而會導致飽和或線性度降低的信號源，1 MW的輸入模式是非常有用的。

數字化儀包含一個可選輸入范圍為±1伏或±5伏的可編程增益測量放大器（PGIA）。

同步與存儲核心

PXI-5922是基于同步與存儲核心1（SMC）構架構建的，所以您可以使用T-Clock2技術（SMC的一個基本組成），實現PXI-5922模塊與其他基于SMC的模塊化儀器的高精度同步。在搭建包括信號發生器、高速數字波形發生器/分析儀和數字化儀的混合信號測試系統時，這種同步能力是非常關鍵的。另外，SMC構架為PXI-5922數字化儀提供每通道高達256 MB的板上存儲。

PXI-5922的性能示例

PXI-5922是市場上動態范圍最寬的數字化儀。對于該數字化儀的頻率-分辨率曲線圖的大部分，目前沒有一個ADC能有更好的性能，更不要說數字化儀器了。同樣，沒有一個信號發生器的動態性能強于PXI-5922。這主要意味著兩件事情：首先，該數字化儀可用來刻畫在其頻帶內的大多數DAC的頻率特性；其次，沒有一個信號源能夠產生一個足夠純的正弦波，以刻畫PXI-5922特性。通過使用創新技術測量線性度、SFDR和SINAD等，我們克服了這個挑戰。本章節將通過一些典型的性能圖展示PXI-5922的性能。

線性度和SFDR

對于單個正弦波輸入，非線性表現為頻域內的諧波。為了測試一個ADC的諧波，進而測試線性度，我們需要一個線性度更好的信號源。由于沒有與PXI-5922性能匹配的信號源可用，很難驗證PXI-5922的線性度性能。因此，我們需要使用有源低通濾波，以衰減非理想正弦波產生的諧波。

圖12是一個滿量程5 Vp的正弦波的頻譜響應（由PXI-5922采集得，采樣率200 kS/s，輸入范圍±5 V）。該頻譜不包含超過-120 dB的寄生成分，形成120 dBc的非寄生動態范圍（SFDR）。

注意頻譜中的低頻噪聲來自信號源。濾波器衰減了信號源中頻率超過30 kHz的噪聲，其余出現在頻譜中的噪聲是有源濾波器造成的，而不是信號源。

上述技術在低頻（低于100 kHz）時工作得很好。但對于驗證更高頻率的線性度，由于很難找到線性度足夠好的放大器，所以不能使用有源濾波。為了驗證PXI-5922在更高頻率的線性度，我們使用了一種不同的方法，其中包括使用任意波形發生器產生一個非理想的正弦波。通過一個線性陷波濾波器衰減基波，準確檢測來自發生器的諧波成為可能。然后，修改發給發生器的數字模式就可以迭代消除諧波。

描述了PXI-5922的典型SFDR與頻率的函數關系。用PXI-5922（采樣率10 MS/s、范圍±5 V）采集振幅為4 V的單純正弦波。對于1 MHz以下的所有頻率，諧波成分都比100dBc低得多。

SINAD

和線性度相似，找到一個噪聲性能與PXI-5922的低噪聲相匹配的信號源也是不可能的。圖14中的圖形是這樣得到的：一個任意波形發生器產生了一個幅度為5 V的1 kHz正弦波，再由PXI-5922采集（采樣率100 kS/s、輸入范圍±5 V），最后該輸出經過低阻抗分阻器衰減至原信號1/10,000。該衰減操作使發生器的固有噪聲降低了80dB，從而展示出PXI-5922的真正噪聲性能。注意盡管幅度很小（500 µV），但信號看起來還是很干凈。信噪比是43 dB，要優于滿量程下的許多數字示波器。這樣的性能實際上超過了20位的分辨率。
另一種評價噪聲性能的方法就是，沒有輸入信號，直接采集數據。圖15描述了采樣率為10 MS/s時的噪聲本底的FFT曲線圖。頻譜中從DC到4 MHz累積的功率相當于滿量程的-95 dB，這幾乎與16位的分辨率相當。我們也注意到系統中沒有寄生噪聲成分。噪聲在頻譜中的不均勻分布是前面討論的調制器中量化噪聲整形所造成的。

抗混疊保護

PXI-5922集成了一個抗混疊濾波器，可以提供一個帶寬為0.4倍采樣率的無混疊頻帶，如圖16所示的概念性頻率響應框圖。
圖17和18展示了數字化儀的抗混疊保護。以采樣率2 MS/s采集滿量程的600 kHz正弦波，符合奈奎斯特定理。如圖17所示，600 kHz信號像預期那樣出現在同一頻率。然而，當采樣率降到1Ms/s時，違背了奈奎斯特定理。如圖18所示，600 kHz信號在通帶中的400 kHz處產生混疊。由于抗混疊濾波器的存在，這個混疊成分被衰減了100dB。

結論


PXI-5922，通過使用專利技術和完全定制的模擬ASIC——Flex II ADC，已成為采樣率高達15 MS/s的市場上可提供最高分辨率和最寬動態范圍的數字化儀。靈活的分辨率和極寬的動態范圍使PXI-5922成為動態測量的通用儀器。與軟件相結合，這個通用儀器能用來替代許多傳統儀器。

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