A/D變換器對(duì)頻譜儀和信號(hào)分析儀動(dòng)態(tài)范圍的影響

摘要： 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(ADC)的應(yīng)用及其性能越來越受到關(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)。ADC的動(dòng)態(tài)范圍性能可以通過其位數(shù)(N)和采樣頻率(fs)計(jì)算出理論值，同時(shí)也可以通過實(shí)際測試獲得頻譜儀和信號(hào)分析儀的所選數(shù)字處理通道A/D處理的實(shí)際動(dòng)態(tài)指標(biāo)。是否ADC的位數(shù)越高意味著分析動(dòng)態(tài)范圍越大呢？結(jié)果并非如此。要注意，在評(píng)價(jià)兩種儀表時(shí)，要采用同等條件和一致的指標(biāo)定義方法，僅僅關(guān)注ADC的位數(shù)是錯(cuò)誤的，應(yīng)當(dāng)關(guān)注其有效位數(shù)、信號(hào)和分析帶寬、采樣頻率和信噪比。

ADC動(dòng)態(tài)指標(biāo)

信噪比
對(duì)于理想的ADC來說，在奈奎斯特帶寬內(nèi)的量化誤差為一白噪聲隨機(jī)信號(hào)，其量化方差。其中q=2^-N為A/D變換器的量化間距，N為A/D字長N位。
量化噪聲的信噪比為：
SNR=6.02N+1.76+101g(f_s/2B)   (1)

式中，N是ADC的位數(shù)，f_s是采樣頻率，Ｂ是模擬輸入信號(hào)的帶寬。上式右邊第三項(xiàng)表示增加采樣頻率(過采樣)可提高信噪比。

有效位數(shù)
實(shí)際上ＡＤＣ的誤差表現(xiàn)為靜態(tài)及動(dòng)態(tài)非線性誤差，并且動(dòng)態(tài)誤差隨輸入信號(hào)壓擺率的增加而變大。因此實(shí)際測量的信噪比要比理論上的小一些。計(jì)算有效位數(shù)(ENOB)可以從對(duì)方程(1)的N求解得到。
ENOB(N)=[SNR-1.76-101g(f_s/2B)]/6.02   (2)

圖1

圖2

頻譜儀和信號(hào)分析儀內(nèi)部的ADC指標(biāo)評(píng)估

ADC動(dòng)態(tài)所影響的信號(hào)分析儀指標(biāo)
典型的頻譜儀電路框圖如圖1所示。其中ADC處于中頻信號(hào)之后，對(duì)中頻(或視頻)信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。ADC的性能影響到頻譜儀的噪聲和信噪比等指標(biāo)，還影響到頻譜儀的失真指標(biāo)，包括諧波、雜散和互調(diào)失真。

對(duì)于現(xiàn)代信號(hào)分析儀來說，中頻和視頻信號(hào)的處理基本采用數(shù)字技術(shù)和矢量分析(IQ分析)技術(shù)。因此，DAC所造成的影響就顯得十分重要。

舉例分析ADC動(dòng)態(tài)所影響的信號(hào)分析儀指標(biāo)
以羅德與施瓦茨公司FSQ為例，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析部分進(jìn)一步分析，框圖如圖2。