如何在不同應用下優化您的選擇

 

當今先進的、基於PC的高速數據採集數字轉換器對於眾多應用來說是必不可少的——從信號分析、激光雷達、超聲成像和無損檢測，到通信、粒子物理、質譜分析等等。本文介紹了工程師在選擇高速數字轉換器時應使用的獨特性能參數。

技術平台有助於解決問題

當今性能最高的高速數字轉換器安裝在共享電氣總線上，例如專用儀器機箱內的PXI或VXI總線，或大多數現代PC內的PCI Express (PCIe)總線。模塊化數字轉換器可以與其他模塊化儀器集成，在自定義軟件應用程序的控制下創建自定義自動測試設備。圖1顯示了一塊4通道、16位、1000 MS/s的數字轉換器卡。卡片底部是PCIe邊緣連接器，用於將其安裝在主機PC的PCIe插槽中。安裝後，卡片的SMA信號連接器從PC機箱背面伸出。

區分數字轉換器的規格

數字轉換器公司通常宣傳三個關鍵規格：通道數、垂直分辨率和最大採樣率，以表明其性能。

通道數

通道數就是數字轉換器可以採集的獨立電信號的數量。通常，數字轉換器只配備一個採集序列器，因此所有通道的信號雖然不同，但都以相同的方式採集——即使用相同的採樣率和觸發。

垂直分辨率（位深度）

垂直分辨率以位表示，揭示了數字轉換器垂直輸入電壓範圍被劃分為的離散數字電平數。這個電平數等於2B，其中B是分辨率的位數。例如，一個8位數字轉換器將垂直輸入範圍劃分為28 = 256個離散電平。相比之下，一個16位數字轉換器將垂直輸入範圍劃分為65536個電平，這將信號特徵的靈敏度按比例增加了256倍。


圖2顯示了位深度如何影響信號清晰度。高分辨率的價值在於，對於具有高動態範圍的信號——即結合了高幅度和低幅度分量的信號，例如引言中提到的那些信號——其應用中顯而易見。

圖2. 4位、8位數字轉換器（DSO的典型）和高端數字轉換器16位深度的相對精度示意圖。

 

不僅僅是垂直性能。在將模擬信號轉換為數字信號的過程中，可能會發生失真。純正弦波，以及因添加寬帶信號噪聲和信號失真而受損的正弦波，可能會在輸入範圍限制附近表現為衰減，這是信號削波的典型前兆。因此，數字轉換器垂直性能的真正衡量標準不是其標稱垂直分辨率，而是ENOB（有效位數）。ENOB是考慮到數字轉換器引入的信號失真和隨機噪聲後，實際可實現的有效分辨率。示例中（圖1）的16位RazorMax PCI Express (PCIe)數字轉換器展現了業界最佳的ENOB，高達12.1位。

絕對精度與相對精度

數字轉換器的絕對精度和相對精度之間存在重要區別。數字轉換器的絕對精度描述了其測量電壓值與真實絕對電壓參考標準的接近程度。相比之下，相對精度指定了採集波形形狀的保真度，不參考絕對參考標準。通過板載校準技術，高速數字轉換器可以達到滿量程輸入電壓範圍0.1%量級的絕對精度。在大多數數字轉換器應用中，然而，使用者主要關注相對準確度，這由動態參數指定. 數位化儀器獲取訊號的保真度可能受到三個不同因素的影響：數位化儀器向獲取訊號添加隨機雜訊. 數位化儀器對獲取訊號的失真. 由於ADC時脈訊號的缺陷，數位化儀器獲取的樣本之間時間間隔均勻性不規則.

最大取樣率

取樣率，通常以每秒百萬樣本（MS/s）為單位，是指數位化儀器每單位時間獲取的樣本數. 奈奎斯特取樣準則要求取樣率至少是訊號所包含最大頻率的兩倍.

頻率響應的重要性

雖然取樣率是數位化儀器的一個關鍵規格，但其時域性能中一個經常被忽略的要素是其頻率響應曲線. 該曲線是透過數位化儀器獲取固定振幅正弦波並確定在寬頻率範圍內的表觀測量正弦波振幅來測量的. RazorMax PCIe數位化儀器的頻率響應曲線如圖3所示. 頻率響應曲線的功能是顯示類比輸入頻寬，這是數位化儀器將正弦波訊號衰減3dB或更多的頻率. 頻寬可以視為數位化儀器對輸入訊號有效呈現的低通濾波器的-3dB滾降頻率. 數位化儀器的一個常見經驗法則要求是，數位化儀器獲取訊號中的最大頻率分量必須小於數位化儀器的頻寬. 值得注意的是，奈奎斯特取樣準則採用並遭受與數位化儀器頻寬經驗法則類似的簡化. 奈奎斯特準則要求在訊號具有磚牆頻譜的假設下，對最大訊號頻率（或訊號頻寬）進行2倍過取樣，訊號頻寬頻率以上沒有頻率分量. 實際訊號的滾降會比磚牆更平緩，因此確定所需的取樣率變得更加細緻. 通常採用5倍或10倍的過取樣因子，以確保訊號頻寬以外的高頻訊號分量能夠準確獲取. 在圖3的範例中，儘管200MHz訊號遠低於數位化儀器的300MHz頻寬，但仍有-1dB的衰減因子，這對應於約11%的振幅下降. 這種顯著的衰減對於使用者來說可能可以接受，也可能無法接受，這取決於應用程式.

 

圖3. 圖1所示Gage數位化儀器的頻率響應曲線. 垂直紅線表示數位化儀器的600 MHz類比輸入頻寬（或-3dB滾降頻率）.

 

結論

為了最大限度地提高頻率響應通帶的平坦度，工程師可能會最大限度地提高數位化儀器頻寬，以便在沒有衰減的情況下獲取更高的訊號頻率. 然而，數位化儀器的頻寬和ENOB是相互矛盾的——當一個改善時，另一個就會惡化. 更高的頻寬會降低對訊號的低通濾波效果. 這會讓更多高頻雜訊通過，進而降低ENOB. 因此，數位化儀器工程師必須確定提供足夠ENOB性能和足夠頻寬的最佳操作點. 除了了解其ENOB之外，考慮其頻率響應曲線對於為給定應用程式選擇最佳數位化儀器至關重要.

 

作者：ANDREW DAWSON，VITREK LLC. Andrew Dawson是Vitrek, LLC的工程經理和應用專家，Vitrek, LLC是高壓測試和測量全球解決方案的供應商. https://vitrek.com