正弦波敏感度測(cè)試之A→D轉(zhuǎn)換器的保真度測(cè)試

引言

對(duì)正弦波進(jìn)行精確數(shù)字化的能力是高分辨率 A→D 轉(zhuǎn)換器保真度的一項(xiàng)敏感度測(cè)試。該測(cè)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(jì)算機(jī)的 A→D 輸出監(jiān)視器，用于讀取和顯示轉(zhuǎn)換器輸出頻譜成分。若想以合理的成本和復(fù)雜程度來(lái)實(shí)施此項(xiàng)測(cè)試，就必需進(jìn)行其元件的設(shè)計(jì)并在使用之前完成性能驗(yàn)證。

概要

圖 1 給出了系統(tǒng)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(qū)動(dòng) A→D。A→D 輸出接口對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行格式化，并與負(fù)責(zé)執(zhí)行頻譜分析軟件和顯示結(jié)果數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

圖 1：A→D 頻譜純度測(cè)試系統(tǒng)方框圖。假設(shè)采用了一個(gè)無(wú)失真的振蕩器，由計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)顯示因放大器和 A→D 失真產(chǎn)生的富里葉 (Fourier) 分量

振蕩器電路

振蕩器是系統(tǒng)中難度最大的電路設(shè)計(jì)部分。為了對(duì) 18 位 A→D 進(jìn)行有意義的測(cè)試，振蕩器的不純度必須超低，而且這些特性必須采用獨(dú)立的方法加以驗(yàn)證。圖 2 基本上是一款“全反相”2kHz 維氏 (Wien) 電橋設(shè)計(jì) (A1-A2)，其在哈佛大學(xué) Winfield Hill 所做研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行。原始設(shè)計(jì)的 J-FET 增益控制被一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)的 CdS 光電管隔離器所替代，從而消除了由 J-FET 電導(dǎo)率調(diào)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(diào)。限帶的 A3 負(fù)責(zé)接收 A2 輸出和 DC 失調(diào)偏置，并通過(guò)一個(gè) 2.6kHz 濾波器提供輸出以驅(qū)動(dòng) A→D 輸入放大器。用于 A1-A2 振蕩器的自動(dòng)增益控制 (AGC) 信號(hào)由負(fù)責(zé)給整流器 A5-A6 饋電的 AC 耦合 A4 從電路輸出 (“AGC 檢測(cè)”) 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(shù)值與 LT?1029 基準(zhǔn)保持平衡。驅(qū)動(dòng) Q1 的 A7 通過(guò)設(shè)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(wěn)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(yīng)，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(duì) 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(xiàn)了穩(wěn)定的環(huán)路補(bǔ)償。這種方法用簡(jiǎn)單的 RC 滾降濾波器取代了嚴(yán)密調(diào)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(hào)通路中采用反相放大器，可實(shí)現(xiàn) 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(dǎo)率調(diào)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(cè) AGC 反饋來(lái)補(bǔ)償。DC 失調(diào)施加偏壓使輸出進(jìn)入 A→D 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。任何此類殘留噪聲都將調(diào)整振蕩器的幅度，因而引入不純分量。對(duì)帶限 AGC 信號(hào)正向通路實(shí)施了很好的濾波，而且 Q1 基極中的大 RC 常數(shù)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)。