影響數字化儀精度的因素

數字化儀的兩個關鍵參數是帶寬和幅度分辨率。這兩個參數不是獨立的——隨著帶寬的降低，分辨率會提高。用戶必須權衡選擇數字化儀以滿足他們的測量需求。在實際測量中，噪聲和失真對數字化儀可實現(xiàn)的分辨率也有一定影響，本文將探討影響數字化儀精度的各類因素。

01分辨率和動態(tài)范圍

數字轉換器使用模數轉換器(ADC)將模擬信號的樣本轉換為數字值。ADC的分辨率是指數字化儀輸入樣本的位數。對于n位ADC，可產生的離散數字電平數為2的n次方。因此，12位數字化儀可以解析2的12次方即4096級。最低有效位(lsb)表示可以檢測到的最小間隔，在12位數字化儀的情況下為1/4096或2.4×10伏。要將lsb轉換為電壓，我們將數字化儀的輸入范圍除以2即可得到。表1顯示了分辨率為8至16位的數字化儀在1伏（±500mV)輸入范圍內的lsb。

分辨率決定了測量的精度。數字化儀分辨率越高，測量值越精確。帶有8位ADC的數字化儀將輸入放大器的垂直范圍劃分為256個離散電平。對于1V的垂直范圍，8位ADC無法理想地處理小于3.92mV的電壓差；而具有65,656個離散電平的16位ADC則可以處理低至15的電壓差。


使用虹科高分辨率數字化儀的一個原因是可以測量小信號。根據計算最小電壓電平的方式，我們可以使用分辨率較低的儀器和較小的滿量程范圍來測量較小的電壓。然而，許多信號同時包含小信號和大信號分量。因此，對于具有大電壓分量和小電壓分量的信號，需要具有大動態(tài)范圍和能夠同時測量小信號和大信號能力的高分辨率儀器。

圖1 虹科數字化儀分辨率對測量精度的比較

如果波形通過不同分辨率的數字化儀會是什么樣子？圖1比較了12、14和16位理想數字化儀對一段±200mV阻尼正弦波形的響應。所選的段接近波形的末端并且幅度很小。14位和16位數字化儀具有足夠的分辨率來準確呈現(xiàn)信號，但100分辨率（基于±200mV的滿量程電平）的12位數字化儀無法解析小于100的電平。對于任何分辨率，讀數誤差都會隨著信號幅度的減小而增加。這是一個理想狀況，稍后我們將研究現(xiàn)實中限制準確性和精度的因素。
02分辨率與采樣率

圖2：作為采樣率函數的數字化儀分辨率圖，圖上的趨勢線顯示了虹科Spectrum產品與競爭對手之間的差異。


如前所述，分辨率和最大采樣率以及帶寬之間存在折衷。更高的分辨率是以更低的最大采樣率為代價的，如圖2所示。虹科 Spectrum M4i系列的14位和16位模型相比其他品牌具有更高的有效采樣率。
03實現(xiàn)最大分辨率的限制數字化儀誤差有多種來源，可以分為噪聲和失真。


失真是采集波形中與被測信號高度相關的誤差。失真不是隨機的，而是取決于輸入信號。最常見的失真形式是諧波失真。在諧波失真的情況下，失真分量在頻域中出現(xiàn)在輸入頻率的整數倍處。諧波失真的典型來源是數字化儀系統(tǒng)傳遞函數的非線性，包括飽和、削波、壓擺率限制等。由于每個ADC的增益和偏移不匹配，交錯多個AC以實現(xiàn)更高采樣率的數字化儀配置會在采樣頻率上增加顯著失真，被稱為交錯失真。

與失真相反，噪聲被定義為與輸入信號不相關的誤差。噪聲可以是誤差信號的任何部分，其頻率位置不是輸入頻率的函數所得。噪聲可以根據噪聲的分布（即誤差直方圖的形狀）或噪聲頻譜的形狀分為幾類。當根據頻率形狀進行分類時，均勻分布在所有頻率上的噪聲稱為白噪聲。分布使得每倍頻程噪聲功率恒定的噪聲稱為粉紅噪聲。除了這兩類外還有許多其他噪聲形狀。

噪聲也可以按直方圖的分布進行分類。具有正態(tài)分布的噪聲稱為高斯噪聲。高斯噪聲的來源很多。噪聲也是通過量化產生的，實際上是將模擬電壓轉換為數字電壓時的舍入誤差。

圖3：有和沒有幅度噪聲的阻尼正弦波形


所有電子設備中都會出現(xiàn)噪聲，設計人員盡一切努力減少添加到輸入信號中的噪聲。增益級特別容易產生和增加數字化儀中的噪聲電平。

失真和噪聲都限制了數字化儀可以實現(xiàn)的分辨率?？梢詮膱D3看出，噪聲通過向每個樣本值添加隨機分量，限制了數字化儀解析小幅度值的能力。帶有附加噪聲的曲線顯示的幅度轉換超過了顯示波形右側的信號峰值幅度，從而掩蓋了實際的信號結構。隨著噪聲水平的增加，它將使具有更高幅度值的信號分量變得模糊，從而進一步降低測量的分辨率。

圖4：帶噪聲和不帶噪聲的阻尼正弦的頻率視圖。添加高斯白噪聲會提高與噪聲幅度成比例的基線。


類似地，圖4顯示了有和沒有白噪聲的阻尼正弦信號的頻域頻譜。請注意，添加噪聲會提高頻譜的基線，任何幅度低于本底噪聲的信號都將被遮蔽，從而有效地限制數字化儀的動態(tài)范圍。

圖5：時域中諧波失真對數字化波形的影響


圖5顯示了諧波失真對數字化波形的影響。在本例中，相對較大的三次諧波會改變數字化波形的形狀。如前所述，與源波形同步的失真以可重復的方式增加。通常，諧波失真的電平要低得多，并且在時域波形上不可見。

圖 6：未失真波形和諧波失真波形的頻譜比較

如圖6所示，使用快速傅里葉變換(FFT)的頻譜分析儀在頻域中評估諧波。在頻域中，您可以清楚地看到3次諧波。諧波和其他失真的存在會隱藏限制數字化儀動態(tài)范圍的較小頻譜特征。衡量數字化儀輸出頻譜純度的一種方法是無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。SFDR定義為RMS信號頻率分量與其輸出端下一個較大頻譜分量（通常稱為“雜散”）的RMS值之比。圖6中的理想頻譜的SFDR約為81dB。

04最小化噪聲和失真的影響

盡量減少失真的影響是數字化儀設計人員的職責，在設計中必須減少非線性、諧波失真和其他失真源。除了不過度驅動數字化儀之外，用戶幾乎無法控制減少失真，但用戶可以控制最小化對噪聲的影響。以下是一些簡單的方法：

#1在數字化儀的輸入范圍內使正在分析的信號達到最大。這將使信噪比最大化。具有多范圍的數字化儀使這更容易，但要確保噪聲水平不隨輸入衰減而縮放。

#2使用與應用一致的最小測量帶寬。噪聲水平與帶寬成正比。這可以通過輸入帶寬限制或數字濾波來實現(xiàn)。使用信號處理來降低與平均測量次數成正比的噪聲水平，這種方法需要可重復的信號和多次采集。

#3對于低電平信號，使用外部低噪聲放大器來提高信號電平并最大化信噪比。

#4在完整的信號路徑中使用正確的端接。對于高帶寬，信號源、電纜和數字化儀端接的完整50歐姆端接是一個不錯的選擇。

#05比較數字化儀的噪聲和失真性能品質因數是具有通用定義的測量值，可以立即傳達所描述測量系統(tǒng)的質量。

除基線噪聲外，所有這些品質因數均基于正弦輸入的數字化儀的頻域分析。它們在IEEE標準1057和1241中定義。大多數數字化儀供應商在其數據表中指定了這些值。比較品質因數時，請確保它們具有相同的輸入頻率、輸入幅度、采樣率和帶寬。
06需要具有高動態(tài)范圍的數字化儀的應用

圖7：現(xiàn)代數字化儀系列示例，虹科 Spectrum M4i系列數字化儀平臺包括2和4通道版本，分辨率為14或16位，基于 PCI Express x8Gen2接口，支持高達3.4 GBytes/s的傳輸速率。

▲回波測距：回波測距測量，例如雷達、聲納、激光雷達、超聲和醫(yī)學成像。在這些應用中，一個大的發(fā)射脈沖之后是一個弱得多的回波，數字化儀能夠準確地處理兩個幅度信號。
▲紋波測量：需要測量具有高偏移值和偏移頂部的小變化信號，這兩個組件都需要進行表征。
▲調制分析：幅度調制信號(AM、SSB、QAM等)表現(xiàn)出信號幅度的廣泛變化。
▲質譜法：需要檢測質荷比明顯不同的粒子或需要提高質譜儀的靈敏度。
▲相位測量：相位測量需要測量非常小的幅度差異，以區(qū)分小的相位差。
▲傳播研究：測量不同路徑和通過不同媒介的信號路徑衰減通常會導致幅度值范圍很大。
▲組件測試：需要表征大的電壓或電流降。

07測量示例

我們的測量示例使用虹科 Spectrum M4i系列數字化儀（圖7）。其ENOB規(guī)范在10MHz時大于11.6位。疊加在該測量上的是具有10位ENOB的數字化儀模擬。該數據使用 Spectrum的SBench6軟件以圖形顯示。

圖8 11.6（黃色曲線）和10（藍色曲線）有效位的測量比較。右側網格顯示擴展（縮放）的相同數據。請注意由于缺乏分辨率而導致藍色軌跡中的細節(jié)丟失

兩個測量都顯示在左側網格中，頻譜數字化儀曲線顯示為黃色，另一條曲線顯示為藍色。右側網格是水平和垂直擴展的相同數據。請注意，由于分辨率有限，藍色曲線無法顯示低幅度細節(jié)。
08結論

虹科數字化儀根據ADC中的位數指定理想分辨率。由于存在噪聲和失真產物，理想分辨率會降低，實際分辨率以基線噪聲、SNR、 SINAD和ENOB的形式指定。在選擇數字化儀時，可以根據測量需求選擇相應分辨率的虹科數字化儀，同時還應該考慮到其他因素，如低噪聲組件和布局、多輸入范圍、專用信號路徑和信號調理。

虹科測試測量團隊

虹科是在各細分專業(yè)技術領域內的資源整合及技術服務落地供應商。在測試測量行業(yè)經驗超過17年的高科技公司，虹科與世界知名的測量行業(yè)巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供領域內頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺的多種功能模塊，以及自動化測試軟件平臺和測試系統(tǒng)，通用臺式信號源設備，高速數字化儀，EMC和射頻測試方案等。事業(yè)部目前已經提供覆蓋半導體、3C、汽車行業(yè)的超過25個大型和超大型自研系統(tǒng)項目。我們的解決方案已在汽車電子、半導體、通信、航空航天、軍工等多個行業(yè)得到驗證。此外，我們積極參與半導體、汽車測試等行業(yè)協(xié)會的工作，為推廣先進技術的普及做出了重要貢獻。至今，虹科已經先后為全國用戶提供了100+不同的解決方案和項目，并且獲得了行業(yè)內用戶極好口碑。

審核編輯 黃昊宇