軟件定義儀器的數(shù)字化前端和ADC 的等效分辨率

摘要： 為了給軟件定義儀器中的數(shù)字化前端的設(shè)計(jì)和選擇提供依據(jù)，提出了ADC 等效分辨率的概念。結(jié)合過采樣技術(shù)和香農(nóng)限帶高斯白噪聲信道的容量公式推導(dǎo)出了等效分辨率的公式，并以測量心電信號(hào)為例，采樣速率為400SPS、ADC 參考電壓為2.5 V 時(shí)，選用等效分辨率為26 位的ADC。經(jīng)實(shí)例證明，等效分辨率為ADC 的性能*估和軟件定義儀器中的數(shù)字化前端的選擇提供了一個(gè)重要參數(shù)，也為選擇軟件定義儀器提供了一個(gè)簡明的指標(biāo)，有著一定的指導(dǎo)意義。

　　測試儀器在人類進(jìn)步史上的作用不言而喻，其發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，傳統(tǒng)測試儀器結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，主要依靠手工測試，工作效率較低。伴隨著現(xiàn)代工業(yè)革命浪潮出現(xiàn)的現(xiàn)代測試儀器，集計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)測試（ATE）技術(shù)于一身，大大提高了測試的速度和準(zhǔn)確度，但這些儀器主要由硬件構(gòu)成，其所有功能都在出廠前以硬件的形式固化下來，用戶很難對其功能做出改變，且儀器難以升級(jí)換代，開發(fā)研制周期長，經(jīng)費(fèi)投入大。文獻(xiàn)[5]提出的軟件定義儀器是一種基于SoC（System on Chip，單片系統(tǒng)）技術(shù)，盡可能用數(shù)字信號(hào)處理取代模擬信號(hào)處理和用戶可以方便定義與修改儀器功能的儀器，為新一代的儀器設(shè)計(jì)提出了新的思路。因此，這里提出一種軟件定義儀器，詳細(xì)介紹了該儀器的數(shù)字化前端和ADC 的等效分辨率。

　　1 軟件定義儀器

　　現(xiàn)代儀器一般都采用微處理器作為其核心控制器件，微處理器只能處理數(shù)字信號(hào)，而待測信號(hào)多為模擬信號(hào)。通常采用的方法是將被測信號(hào)模擬放大、濾波，使其信號(hào)的輸出動(dòng)態(tài)范圍與參考電壓相適應(yīng)， 以滿足所需要的分辨率，并抑制噪聲。在儀器儀表的研發(fā)中，模擬電路部分（傳感器接口電路＋放大濾波）和數(shù)字部分是最為重要的兩個(gè)部分，又是各個(gè)整機(jī)廠“各自”研發(fā)、投入最大、重復(fù)最多的兩個(gè)部分。軟件儀器的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　為使被測量經(jīng)過傳感器后直接進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，就要求ADC 盡量靠近傳感器，使接收到的足夠幅度的模擬信號(hào)盡早地?cái)?shù)字化，接下來的工作就是由軟件和數(shù)字化硬件實(shí)現(xiàn)儀器功能的定義與修改?？梢娷浖x儀器是用A/D 轉(zhuǎn)換的高分辨率換取了信號(hào)的增益，而用采樣速度來換取A/D 轉(zhuǎn)換的分辨率，A/D 轉(zhuǎn)換的精度是儀器功能由軟件定義的基礎(chǔ)。

　　軟件定義儀器的理念會(huì)為儀器的研發(fā)和生產(chǎn)帶來極大的便利，免去了很多重復(fù)性工作，也給使用者以很大的靈活空間。軟件定義儀器的基礎(chǔ)是盡可能減少模擬電路。采用ADC 的分辨率換取模擬放大器的增益不僅可以降低成本、簡化電路、提高抗干擾性能和動(dòng)態(tài)范圍，還能提高儀器的靈活性和精度。

　　在通信市場中，由于新的通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅速，經(jīng)常需要新的信號(hào)源和測量功能，所以帶來了很大的挑戰(zhàn)，為了跟上標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展速度，測試儀器供應(yīng)商通過軟件定義無線電技術(shù)來縮短儀器開發(fā)時(shí)間。在軟件定義無線電技術(shù)中，ADC 的參數(shù)選擇中已經(jīng)討論，而本文根據(jù)香農(nóng)定理，結(jié)合過采樣技術(shù)，提出了針對所有市場測試儀器中軟件定義儀器的ADC 參數(shù)統(tǒng)一選擇的問題，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器的等效分辨率的概念， 為軟件定義儀器的數(shù)字化前端設(shè)計(jì)和ADC 的選擇提供一個(gè)簡明的指標(biāo)，從而為選擇ADC 帶來方便。

　　2 ADC 的等效分辨率

　　軟件定義儀器中的數(shù)字化前端可以有3 種途徑：1）采用數(shù)字化傳感器，將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳入微處理器，這一點(diǎn)在文獻(xiàn)[5]中已經(jīng)做了詳細(xì)的闡述，本文不做討論；2）可通過高分辨率的ADC，如Σ-Δ 型ADC，過采樣Σ-Δ 技術(shù)使之實(shí)現(xiàn)高達(dá)24 位高分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換， 但由于這一技術(shù)的原理限制， 使得真正達(dá)到24 位分辨率時(shí)的轉(zhuǎn)換速度很低，這個(gè)缺陷使這一高精度高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器只能用于低頻信號(hào)的測量；3）采用高速中分辨率的ADC，通過過采樣將速度轉(zhuǎn)化為精度，這種方法已廣泛用于通信領(lǐng)域，在測量領(lǐng)域上也開始引起注意，但現(xiàn)有文獻(xiàn)沒有提及如何選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。