引言

對正弦波進行精確數字化的能力是高分辨率A-D轉換器保真度的一項敏感度測試。該測試需要一個具接近 1ppm 殘留失真分量的正弦波發生器。此外，還需要一個基于計算機的 A-D 輸出監視器，用于讀取和顯示轉換器輸出頻譜成分。若想以合理的成本和復雜程度來實施此項測試，就必需進行其元件的設計并在使用之前完成性能驗證。

概要

圖 1 給出了系統的示意圖。一個低失真振蕩器通過一個放大器來驅動 A-D。A-D 輸出接口對轉換器輸出進行格式化，并與負責執行頻譜分析軟件和顯示結果數據的計算機進行通信。

圖 1：A-D 頻譜純度測試系統方框圖。假設采用了一個無失真的振蕩器，由計算機負責顯示因放大器和 A-D 失真產生的富里葉 （Fourier） 分量

振蕩器電路

振蕩器是系統中難度最大的電路設計部分。為了對 18 位 A-D 進行有意義的測試，振蕩器的不純度必須超低，而且這些特性必須采用獨立的方法加以驗證。圖 2 基本上是一款“全反相”2kHz 維氏 （Wien） 電橋設計 （A1-A2），其在哈佛大學 Winfield Hill 所做研究工作的基礎上進行。原始設計的 J-FET 增益控制被一個 LED 驅動的 CdS 光電管隔離器所替代，從而消除了由 J-FET 電導率調制引起的誤差，同時也就不必為最大限度地減少這些誤差而進行微調。限帶的 A3 負責接收 A2 輸出和 DC 失調偏置，并通過一個 2.6kHz 濾波器提供輸出以驅動 A-D 輸入放大器。用于 A1-A2 振蕩器的自動增益控制 （AGC） 信號由負責給整流器 A5-A6 饋電的 AC 耦合 A4 從電路輸出 （“AGC 檢測”） 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使該數值與 LT?1029 基準保持平衡。驅動 Q1 的 A7 通過設定 LED 電流 （因而還包括 CdS 光電管電阻） 來閉合增益控制環路，從而穩定振蕩器輸出的幅度。盡管這會衰減 A3 和輸出濾波器的帶限響應，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 A7 環路閉合動態特性提出了要求。確切地說，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，可產生顯著的相位延遲。A7 上的一個 1μF 主極點和一個 RC 零點一起提供了該延遲，從而實現了穩定的環路補償。這種方法用簡單的 RC 滾降濾波器取代了嚴密調諧的高階輸出濾波器，從而在保持輸出幅度的同時最大限度地降低了失真1。

圖 2：維氏電橋 （Wien Bridge） 振蕩器在信號通路中采用反相放大器，可實現 3ppm 失真。LED 光電管取代了常用的 J-FET 作為增益控制器，從而消除了電導率調制所引起的失真。與 A3 相關的濾波衰減通過在電路輸出端檢測 AGC 反饋來補償。DC 失調施加偏壓使輸出進入 A-D 輸入放大器范圍

從 LED 偏置中消除與振蕩器有關的分量是保持低失真的關鍵。任何此類殘留噪聲都將調整振蕩器的幅度，因而引入不純分量。對帶限 AGC 信號正向通路實施了很好的濾波，而且 Q1 基極中的大 RC 常數提供了最終的陡峭滾降。如圖 3 （Q1 的發射極電流） 所示，振蕩器相關紋波在 10mA 的總電流中約為 1nA （小于 0.1ppm）。

圖 3：振蕩器 （掃跡 A） 相關的殘留噪聲 （掃跡 B），在 Q1 發射極噪聲中僅依稀可看到 （≈ 1nA，大約為 LED 電流的 0.1ppm）。利用大量 AGC 信號通路濾波獲得的特性可避免調制分量影響光電管響應

振蕩器僅通過一次微調便實現了其性能。該調整 （其確定了 AGC 捕獲范圍的中心） 是按照原理圖注釋設定的。

驗證振蕩器失真

驗證振蕩器失真需要采用精細的測量方法。嘗試采用傳統失真分析儀 （甚至是高級型分析儀） 來測量失真會遭遇局限性。圖 4 示出了振蕩器輸出 （掃跡 A） 及其在分析儀輸出端上的殘留失真指示 （掃跡 B）。在分析儀的噪聲層和不確定性層中，振蕩器相關動作的輪廓描繪是模糊不清的。測試中使用的 HP-339A 規定了一個 18ppm 的最小可測量失真；這張照片在拍攝時儀器的指示為 9ppm。這超過了規格指標而且非常可疑，因為在測量失真時如果達到或接近了設備的性能極限，就會帶來顯著的不確定性2。假如要對振蕩器失真進行有意義的測量，則必需使用不確定層非常低和精致的專業型分析儀。規定了 2.5ppm 總諧波失真 + 噪聲 （THD + N） 限值 （典型值為 1.5ppm） 的 Audio Precision 2722 提供了圖 5 中的數據。如該圖所示，總諧波失真 （THD） 為 -110dB，即大約 3ppm。圖 6 （使用相同的儀器獲得） 示出的 THD + N 為 105dB，即 5.8ppm 左右。在圖 7 所示的最終測試中，分析儀確定了振蕩器的頻譜成分 （以三次諧波為主導，位于 -112dB，即大約 2.4ppm）。這些測量值使人們有信心把該振蕩器應用于 A-D 保真度特性分析中。

圖 4：HP-339A 失真分析儀在其分辨率限值范圍外工作會給出有誤導的失真指示 （掃跡 B）。分析儀輸出包含了振蕩器和儀器特征的不確定組合，不可作為判定依據。掃跡 A 是振蕩器輸出

圖 5：Audio Precision 2722 分析儀測得的振蕩器 THD 為 -110dB，大約 3ppm

圖 6：AP-2722 分析儀測得的振蕩器 THD + N ≈ -105dB，大約 5.8ppm

圖 7：AP-2722 頻譜輸出顯示三次諧波的峰值為 -112.5dB，≈ 2.4ppm

A-D 測試

A-D 測試通過其輸入放大器將振蕩器輸出發送至 A-D。此項測試測量了由輸入放大器 / A-D 組合所產生的失真分量。A-D 輸出由計算機來檢查，計算機將以定量的方式把頻譜誤差分量指示在圖 8 的顯示界面中3。該顯示界面包含了時域信息 （其示出了集中于轉換器工作范圍內的偏置正弦波）、一個富里葉變換 （指示了頻譜誤差分量） 和詳細的表列讀數。被測試的 LTC?2379 18 位 A-D / LT6350 放大器組合產生了 -111dB （約 2.8ppm） 的二次諧波失真，而較高頻率的諧波則遠低于該水平。這表明 A-D 及其輸入放大器處于正確的運作狀態和規格范圍之內。要想實現振蕩器與放大器 / A-D之間的諧波消除，則必需測試多個放大器 / A-D 樣本以增加測量的置信度4。

圖 8：圖 1 所示測試系統的部分顯示包括時域信息、富里葉頻譜曲線圖以及詳細的表列讀數 （針對由 LT6350 放大器驅動的 LTC2379 18 位 A-D）

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