A→D 转换器的保真度测试 检验纯度

引言

对正弦波进行精确数字化的能力是高分辨率 A→D 转换器保真度的一项敏感度测试。该测试需要一个具接近 1ppm 残留失真分量的正弦波发生器。此外，还需要一个基于计算机的 A→D 输出监视器，用于读取和显示转换器输出频谱成分。若想以合理的成本和复杂程度来实施此项测试，就必需进行其元件的设计并在使用之前完成性能验证。

概要

图 1 给出了系统的示意图。一个低失真振荡器通过一个放大器来驱动 A→D。A→D 输出接口对转换器输出进行格式化，并与负责执行频谱分析软件和显示结果数据的计算机进行通信。

图 1：A→D 频谱纯度测试系统方框图。假设采用了一个无失真的振荡器，由计算机负责显示因放大器和 A→D 失真产生的富里叶 (Fourier) 分量

振荡器电路

振荡器是系统中难度最大的电路设计部分。为了对 18 位 A→D 进行有意义的测试，振荡器的不纯度必须超低，而且这些特性必须采用独立的方法加以验证。图 2 基本上是一款“全反相”2kHz 维氏 (Wien) 电桥设计 (A1-A2)，其在哈佛大学 Winfield Hill 所做研究工作的基础上进行。原始设计的 J-FET 增益控制被一个 LED 驱动的 CdS 光电管隔离器所替代，从而消除了由 J-FET 电导率调制引起的误差，同时也就不必为最大限度地减少这些误差而进行微调。限带的 A3 负责接收 A2 输出和 DC 失调偏置，并通过一个 2.6kHz 滤波器提供输出以驱动 A→D 输入放大器。用于 A1-A2 振荡器的自动增益控制 (AGC) 信号由负责给整流器 A5-A6 馈电的 AC 耦合 A4 从电路输出 (“AGC 检测”) 获取。A6 的 DC 输出表示电路输出正弦波的 AC 幅度。利用终接至 AGC 放大器 A7 的电流求和电阻器来使该数值与 LT®1029 基准保持平衡。驱动 Q1 的 A7 通过设定 LED 电流 (因而还包括 CdS 光电管电阻) 来闭合增益控制环路，从而稳定振荡器输出的幅度。尽管这会衰减 A3 和输出滤波器的带限响应，但从电路的输出获得增益控制反馈信息可保持输出幅度。另外，它还对 A7 环路闭合动态特性提出了要求。确切地说，A3 的频带限制与输出滤波器 A6 的滞后及纹波抑制组件 (在 Q1 的基极中) 相组合，可产生显著的相位延迟。A7 上的一个 1μF 主极点和一个 RC 零点一起提供了该延迟，从而实现了稳定的环路补偿。这种方法用简单的 RC 滚降滤波器取代了严密调谐的高阶输出滤波器，从而在保持输出幅度的同时最大限度地降低了失真1。

图 2：维氏电桥 (Wien Bridge) 振荡器在信号通路中采用反相放大器，可实现 3ppm 失真。LED 光电管取代了常用的 J-FET 作为增益控制器，从而消除了电导率调制所引起的失真。与 A3 相关的滤波衰减通过在电路输出端检测 AGC 反馈来补偿。DC 失调施加偏压使输出进入 A→D 输入放大器范围

从 LED 偏置中消除与振荡器有关的分量是保持低失真的关键。任何此类残留噪声都将调整振荡器的幅度，因而引入不纯分量。对带限 AGC 信号正向通路实施了很好的滤波，而且 Q1 基极中的大 RC 常数提供了最终的陡峭滚降。如图 3 (Q1 的发射极电流) 所示，振荡器相关纹波在 10mA 的总电流中约为 1nA (小于 0.1ppm)。

图 3：振荡器 (扫迹 A) 相关的残留噪声 (扫迹 B)，在 Q1 发射极噪声中仅依稀可看到 (≈ 1nA，大约为 LED 电流的 0.1ppm)。利用大量 AGC 信号通路滤波获得的特性可避免调制分量影响光电管响应