電源設(shè)計(jì)小貼士:理解FFT圖

您可以通過周期性地收集大量的ADC輸出轉(zhuǎn)換采樣來生成 FFT圖。一般而言，ADC廠商們將一種單音、滿量程模擬輸入信號(hào)用于其產(chǎn)品說明書的典型性能曲線。您從這些轉(zhuǎn)換獲得數(shù)據(jù)，然后繪制出一幅與圖1相似的圖。該圖的頻率標(biāo)度始終為線性，從零到1/2轉(zhuǎn)換器采樣頻率。

通過將一個(gè)100ksps的采樣頻率應(yīng)用到一個(gè)9.9 kHz模擬輸入信號(hào)的12位ADC，您可以得到圖1中的FFT圖。9.9 kHz下的信號(hào)便為基本輸入信號(hào) (A)。該基本輸入信號(hào)寄生接近于0 dB。

FFT圖中4條規(guī)范包括基本輸入信號(hào)、信噪比、總諧波失真和平均噪聲底限。

確定某個(gè)ADC電路中噪聲大小的一種有效方法是使用信噪比(B)。信噪比(SNR)即信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比。FFT計(jì)算的SNR為若干噪聲源的組合。可能的噪聲源包括ADC量化誤差、ADC內(nèi)部噪聲、參考電壓噪聲、ADC微分非線性誤差以及驅(qū)動(dòng)放大器噪聲。信噪比(SNR) 的理論極限值等于6.02n+1.76 dB，其中n為轉(zhuǎn)換器比特?cái)?shù)。

圖1 該FFT圖中12位轉(zhuǎn)換器共有4096個(gè)數(shù)據(jù)集

總諧波失真(C) 對系統(tǒng)中的失真數(shù)進(jìn)行量化。總諧波失真(THD)為諧波分量(寄生信號(hào))強(qiáng)度的均方根(rms)總和與輸入信號(hào)強(qiáng)度的比。產(chǎn)生自A/D轉(zhuǎn)換器 非線性的寄生信號(hào)以輸入信號(hào)頻率(基本頻率)的整數(shù)倍數(shù)形式出現(xiàn)。大多數(shù)廠商都在其THD計(jì)算中使用最早的7到9諧波分量。

如果A/D轉(zhuǎn)換器 產(chǎn)生了寄生信號(hào)，則其有可能具有一些積分非線性誤差。此外，寄生信號(hào)會(huì)來自通過信號(hào)源或驅(qū)動(dòng)放大器的輸入信號(hào)。如果輸入信號(hào)產(chǎn)生寄生信號(hào)，它們很可能與基本頻率的頻率不相關(guān)。如果驅(qū)動(dòng)放大器為罪魁禍?zhǔn)?，則其可能具有交叉失真，無法驅(qū)動(dòng)ADC或者受限于帶寬。來自電路其他地方的注入噪聲(例如：數(shù)字時(shí)鐘源或電源頻率等)也可在FFT結(jié)果中形成寄生信號(hào)。

在轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的 FFT 表示法中，平均噪聲底限 (D) 為FFT圖中所有bin的方根組合，但不包括輸入信號(hào)和信號(hào)諧波。您應(yīng)該平衡選擇采樣數(shù)和ADC比特?cái)?shù)，從而使噪聲底限在所有相關(guān)寄生信號(hào)以下。考慮到這些因素，理論平均民FFT 噪聲底限(dB)等于6.02n+1.76 dB+10 log[(3×M)/(π×ENBW)]，其中M為FFT的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，ENBW為窗口函數(shù)的等效噪聲帶寬，而n則為ADC的比特?cái)?shù)。12位轉(zhuǎn)換器FFT的合理采樣數(shù)量為4096。