【導(dǎo)讀】在現(xiàn)代頻譜儀和信號(hào)分析儀中，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的廣泛采用，高速A/D轉(zhuǎn)換器(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，即ADC)的應(yīng)用及其性能越來(lái)越受到關(guān)注，因?yàn)樗男阅苤苯佑绊戭l譜儀和信號(hào)分析儀的精度，尤其是ADC的動(dòng)態(tài)性能，包括信噪比和有效位數(shù)。今天我們就一起來(lái)了解模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)以及在頻譜分析中的作用。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC轉(zhuǎn)換器）
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC轉(zhuǎn)換器）是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)。它是一個(gè)濾波、采樣保持、量化和編碼的過(guò)程。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號(hào)，再經(jīng)過(guò)編碼器，使梯形信號(hào)中的每一級(jí)都變成二進(jìn)制碼。最后，模擬量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳送到CPU。也就是說(shuō)，幾乎所有的通電數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換。例如電能表的電能計(jì)量、電子秤的重量測(cè)量、電子溫度計(jì)的溫度測(cè)量、通訊領(lǐng)域。
ADC類型
現(xiàn)階段常見(jiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有以下幾種類型：逐次逼近型、積分型、壓頻變換型、流水線型、∑-Δ型等。
逐次逼近型
逐次逼近型ADC是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它包括1個(gè)比較器、1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個(gè)逐次逼近寄存器（SAR）和1個(gè)邏輯控制單元，所以逐次逼近ADC也被稱為SAR ADC。它是將采樣輸入信號(hào)與已知電壓不斷進(jìn)行比較，1個(gè)時(shí)鐘周期完成位轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換需要N個(gè)時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)換完成，輸出二進(jìn)制數(shù)。
這一類型ADC的分辨率和采樣速率是相互矛盾的，分辨率低時(shí)采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會(huì)受到限制。
積分型ADC
積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，它的應(yīng)用也比較廣泛。
它由1個(gè)帶有輸入切換開(kāi)關(guān)的模擬積分器、1個(gè)比較器和1個(gè)計(jì)數(shù)單元構(gòu)成，通過(guò)兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。
積分型ADC兩次積分的時(shí)間都是利用同一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來(lái)確定，因此所得到的D表達(dá)式與時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對(duì)交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz），適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。
并行比較A/D轉(zhuǎn)換器
并行比較ADC主要特點(diǎn)是速度快，它是所有的A/D轉(zhuǎn)換器中速度最快的，現(xiàn)代發(fā)展的高速ADC大多采用這種結(jié)構(gòu)，采樣速率能達(dá)到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，并行比較ADC的分辨率難以做的很高。
這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間主取決于比較器的開(kāi)關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。增加輸出代碼對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必需的數(shù)量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數(shù)字增加一位，精密電阻數(shù)量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。
并行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結(jié)果重復(fù)的并聯(lián)比較器如果精度不匹配，還會(huì)造成靜態(tài)誤差，如會(huì)使輸入失調(diào)電壓增大。同時(shí)，這一類型的ADC由于比較器的亞穩(wěn)壓、編碼氣泡，還會(huì)產(chǎn)生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。
壓頻變換型ADC
壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的脈沖信號(hào)，然后在固定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果即為正比于輸入模擬電壓信號(hào)的數(shù)字量。
從理論上講，這種ADC的分辨率可以無(wú)限增加，只要采用時(shí)間長(zhǎng)到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度即可。
∑-Δ型ADC
∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器，它采用增量編碼方式即根據(jù)前一量值與后一量值的差值的大小來(lái)進(jìn)行量化編碼。
∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器?！?Δ調(diào)制器主要完成信號(hào)抽樣及增量編碼，它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼；數(shù)字抽取濾波器完成對(duì)∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。因此抽取濾波器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)碼型變換器。
流水線型ADC
流水線結(jié)構(gòu)ADC，又稱為子區(qū)式ADC，它是一種高效和強(qiáng)大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)，還可以提供優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。
流水線型ADC由若干級(jí)級(jí)聯(lián)電路組成，每一級(jí)包括一個(gè)采樣/保持放大器、一個(gè)低分辨率的ADC和DAC以及一個(gè)求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級(jí)間放大器。
快速精確的n位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū)（流水線）來(lái)完成。首級(jí)電路的采樣/保持器對(duì)輸入信號(hào)取樣后先由一個(gè)m位分辨率粗A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入進(jìn)行量化，接著用一個(gè)至少n位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于量化結(jié)果的模/擬電平并送至求和電路，求和電路從輸入信號(hào)中扣除此模擬電平。
并將差值精確放大某一固定增益后交下一級(jí)電路處理。經(jīng)過(guò)各級(jí)這樣的處理后，最后由一個(gè)較高精度的K位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)殘余信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級(jí)粗、細(xì)A/D的輸出組合起來(lái)即構(gòu)成高精度的n位輸出。
ADC技術(shù)參數(shù)
ADC的主要技術(shù)參數(shù)：
01 分辨率
A/D的分辨率是使A/D輸出數(shù)字量最低位變化1所對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓變化的大小值。分辨率也用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示，如8位A/D的分辨率就是8，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度也越高。
02 量化誤差
用數(shù)字量近似表示模擬量的過(guò)程稱為量化。A/D轉(zhuǎn)換一般是按四舍五入原則進(jìn)行的，由此產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差，量化誤差小于等于1LSB。
03 精度
精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。
在一個(gè)A/D中，任何數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想的電壓之差并不是一個(gè)常數(shù)，把差值中的最大值定義為該A/D的絕對(duì)精度;而相對(duì)精度則定義為這個(gè)最大差值與滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或者用二進(jìn)制分?jǐn)?shù)來(lái)表示相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。
04 轉(zhuǎn)換時(shí)間
轉(zhuǎn)換時(shí)間是完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，這是指從啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始到獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)所需要的總時(shí)間。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC轉(zhuǎn)換器）在頻譜分析儀中的作用
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）具有頻譜分析儀功能，支持直接轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、直接IQ數(shù)據(jù)記錄等功能。然而，要達(dá)到幾千兆赫以上或捕捉持續(xù)時(shí)間非常短的信號(hào)，往往需要不止一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。例如，具有較高頻率能力的頻譜分析儀可能采用多個(gè)ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）；一個(gè)ADC與另一個(gè)ADC，甚至多個(gè)ADC一起轉(zhuǎn)換低頻；協(xié)同頻率轉(zhuǎn)換硬件(下變頻器)將高頻轉(zhuǎn)換為ADC能夠處理的中頻。
頻譜分析儀可以根據(jù)特定需要在同一頻段上采用多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，使用更快但精度較低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)快速捕獲頻率掃描，而更高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以較慢的速率提供信號(hào)監(jiān)控和分析。此外，多個(gè)ADC可以與交錯(cuò)采樣窗口結(jié)合使用，以提高截獲概率。
這種方法的一個(gè)挑戰(zhàn)是，頻譜分析儀的數(shù)字后端用于實(shí)時(shí)頻譜分析捕獲的帶寬是有限的，因此觀察頻譜將小于模數(shù)轉(zhuǎn)換器捕獲的頻譜。這是因?yàn)轭l譜分析儀模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常以恒定速率采樣，但是，通常與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGAs)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASICs)聯(lián)合運(yùn)用的重采樣器和數(shù)字下變頻器，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶(IQ數(shù)據(jù))，其帶寬、頻帶寬度和采樣速率符合奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)。
給頻譜分析儀選定模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常要重點(diǎn)考慮成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和性能瓶頸這些問(wèn)題。這主要是因?yàn)閿?shù)字電子器件在性能上的擴(kuò)展速度比模擬電子器件快得多，而且模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入部分本質(zhì)上是模擬的。這就是在頻譜分析儀設(shè)計(jì)中，為什么一定要確保頻譜分析儀的射頻前端(RFEE)將噪聲和相位噪聲降至最低并將模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的動(dòng)態(tài)范圍和精確度設(shè)置為最佳信號(hào)強(qiáng)度。這些設(shè)備包括低噪聲放大器(LNA)、限幅器、功率分配器、衰減器、濾波器而且要互相連通。
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