在對ADC（模擬數(shù)字轉換器）進行性能參數(shù)評估時，需要用正弦波做為ADC的測試信號。為了正確評估出ADC的真實性能，此正弦波信號的信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）等指標均需優(yōu)于被測ADC。普通的信號發(fā)生器一般基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）技術實現(xiàn)，通常可以滿足12位分辨率以下 ADC的評估，但由于THD和SNR等指標的限制，往往無法用于高分辨率ADC的評估。本文基于ADI公司的高性能器件，設計了一種新型低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號源以滿足16位高分辨率ADC的評估需求。
引言
ADC（模擬數(shù)字轉換器）是把模擬量轉換為數(shù)字量的器件，其關鍵性能指標包括：積分非線性（INL）、微分非線性（DNL）、信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）、無雜散動態(tài)范圍（SFDR）等。在對ADC進行測試和評估時，需要把正弦波作為測試信號源輸入給ADC，對ADC輸出的數(shù)據(jù)進行傅立葉變換（FFT） 等數(shù)學分析，進而得到ADC的各項性能指標。
但如果信號源中帶有諧波和噪聲，那同樣也會被ADC轉換為數(shù)據(jù)輸出，此時測試ADC得到的結果實際上已被輸入信號源的指標所降低。因此在對ADC評估，特別是高分辨率ADC的評估時，信號源的性能指標是一個關鍵性的因素，其指標必需高于被測ADC，否則將會影響ADC性能的評估結果。
傳統(tǒng)解決方案
信號發(fā)生器是常見的信號源，廣泛應用于電子電路的測試測量中。目前普通的信號發(fā)生器一般都是基于直接數(shù)字頻率合成DDS（Direct Digital Frequency Synthesis） 技術實現(xiàn)的數(shù)控信號源，可以在較寬的頻帶內輸出波形質量好、頻率精度和穩(wěn)定性高的正弦波、方波和三角波。
但當前多數(shù)信號發(fā)生器所采用DDS器件的垂直分辨率一般在12~14位左右，其輸出正弦波信號的總諧波失真（THD）指標 一般只有-75dB~-85dB左右，通常只能用來評估12位分辨率以下的ADC。對于分辨率為16位的高精度ADC，其THD指標通常優(yōu)于-100dB，SNR也在90dB左右，因此常用的DDS型信號發(fā)生器所產生的正弦波無法直接用于高分辨率ADC的評估。
為了得到高信噪比、低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號源，需要對信號發(fā)生器輸出的正弦波進行帶通濾波。可以選用截止頻率特性陡峭的帶通濾波器，僅使得中心頻點的信號通過，濾除帶外的噪聲和諧波以提高正弦波信號的THD和SNR指標，此類方案的實現(xiàn)如圖1所示。但此方案需要價格昂貴的帶通濾波器，而且針對每一個測試頻點都需要購置對應的帶通濾波器，應用中起來不夠靈活，存在諸多不方便。對于較低頻信號而言，可能還需要用價格昂貴的晶體濾波器。
本文解決方案
本文中選用ADI公司的高性能DAC（數(shù)字模擬轉換器）和Blackfin系列DSP（數(shù)字信號處理器），較好的解決了相關的技術關鍵，設計制作出低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號源，而且此信號源完全可以滿足16位 ADC的性能評估需求。
設計中首先要選擇高性能的DAC。AD5791是一款單通道、20位分辨率、電壓輸出型DAC，具有1LSB（最低有效位）的積分非線性（INL）和微分非線性（DNL），是業(yè)界首款單芯片1ppm 精度的數(shù)模轉換器。AD5791采用精密電壓模式R-2R架構，利用了最新的薄膜電阻匹配技術，并通過片內校準來實現(xiàn)了高精度。AD5791的內部架構如圖2所示。
圖1 帶通濾波器實現(xiàn)的低諧波失真信號源
圖2 AD5791內部架構
除了高性能的DAC之外，系統(tǒng)中還需要高性能的數(shù)字信號處理器DSP。 ADI的 Blackfin系列DSP將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起，這種獨特的匯聚式架構非常符合數(shù)據(jù)處理、各種高性能算法（如諧波分析）等功能的軟件實現(xiàn)。設計中選用Blackfin系列中的BF518F，其具有400MHz的主頻，完全滿足各種數(shù)據(jù)處理的需要，同時具有高達33MHz的外設SPORT口，可以方便與AD5791對接，實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。BF518F的內部架構如圖3所示。
波形的生成是借助DAC的輸出保持去實現(xiàn)。但由于DAC的輸出不是一系列的零寬度脈沖，而是一系列的矩形脈沖，其寬度等于更新速率的倒數(shù)，此時在DAC的輸出信號中就會有理想輸出信號的高頻鏡像頻點。假設DAC的采樣時鐘為fc，生成的正弦波頻率為fout，那在DAC輸出信號的頻譜中，將會在fc±fout，2*fc± fout，……等多個頻點處產生fout的鏡像頻點，在濾波前，鏡像頻點的幅值由Sin(x)/x（或Sinc）的響應特性所決定，隨著頻率的增加而變小。DAC輸出信號的頻譜如圖4所示。
輸出頻譜鏡像是由于DAC的輸出特性所致，在DSP的程序中是無法通過數(shù)字處理來消除的，因此在DAC的輸出信號后端需要使用模擬低通濾波器，把期望頻率的頻譜鏡像衰減至噪聲水平以下。濾波器的設計，需要根據(jù)DAC的采樣時鐘fc、生成正弦波的頻率fout、諧波指標等，借助于ADI網(wǎng)站上的免費工具——Analog Filter Wizard——可以方便快捷地完成設計。
根據(jù)上述選定的器件，在完成相關模塊的設計之后，低諧波失真、高頻譜純度正弦波信號源的架構如圖5所示。
圖3 BF518的內部架構
圖4 DAC輸出信號的頻譜圖
圖5 低諧波失真、高頻譜純度正弦波信號源架構
在高精度的電路設計中，還應注意在PCB上的模擬電路與數(shù)字電路必須分開布局，并放置在不同的區(qū)域內，避免數(shù)字信號與模擬信號交叉。在電源的設計上，需要精心考慮電源設計和接地回路，采用良好的退耦通路，比如在每個電源引腳上采用10µF與0.1µF并聯(lián)，并且盡可能靠近器件放置。
在DSP的程序中，BF518通過UART串口與運行在PC計算機上的用戶界面通訊，接收用戶的各項設置信息：如輸出信號頻率、幅值、共模電平等。BF518的程序中根據(jù)用戶的設置，計算生成相對應的數(shù)組，然后通過高速SPORT口輸出給AD5791產成正弦波信號。示例代碼如下所示。
#define ARRAY_SIZE size
#define AMPLITUDE sine_amplitude
int Sine_Data[ARRAY_ SIZE];
void Sine_Data_Generate ()
{
int i;
double x;
for ( i=0; i< ARRAY_ SIZE; i++ )
{
x = 2.0 * 3.14159 * i / ARRAY_ SIZE;
Sine_Data[i] = AMPLITUDE * sin(x);
}
}
編寫運行在PC計算機上的程序，為用戶提供友好的界面，方便快捷改變信號源的頻率、幅值等參數(shù)。本文所述的信號源，除了可以輸出低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號，也可以輸出高精度的直流信號。信號源的用戶設置界面如圖6所示。
驗證
設計完成后，選用 Audio Precision AP2722對輸出的正弦波信號指標進行評估。AP2700系列由全球最大的音頻測試儀器制造商美國Audio Precision公司生產，是目前音頻業(yè)界認可的的標準音頻分析儀，也是Dolby、DTS、Microsoft DTM認證所指定音頻分析儀。AP2722具有 2通道的模擬/數(shù)字輸入，帶音頻分析功能，也是杜比公司測試Digital Dolby/AC-3的標準型號。
AP2722的測試結果中包含THD和THD+N（總諧波失真加噪聲）指標。THD+N定義為所有諧波分量與噪聲電平的和與基準輸出電平之比。THD+N和THD在計算時皆包含了2~15次諧波。對于SNR指標，可以根據(jù)THD和TND+N，根據(jù)下面的公式算出：
圖7是將正弦波信號源設置輸出信號峰峰值±4.98V，頻率在50Hz時用AP2722測試的頻譜圖。此時測量的結果，THD為-110dB，THD+N為-100dB。
圖6 信號源的用戶界面
圖7 AP2722測試頻譜圖
用于16位分辨率ADC 的評估
AD7606是ADI公司在2010年推出的一款16位同步采樣8ch模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），所有的通道均能以高達200ksps的速率進行轉換。AD7606為下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設計提供了所需的分辨率和性能，其信噪比（SNR）的典型值為89dB，最小值為87.5dB，如果開啟過采樣功能，SNR更可高達97dB。其總諧波失真（THD）的典型值為-107dB。
擁有本文所述的低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號源后，就可以對AD7606進行評估。將正弦波信號源的輸出連接到AD7606的任意一個通道，設置相關的參數(shù)，借助AD7606的評估板圖形界面，就可以方便直觀地看到SNR、THD等性能指標。圖8是在輸入信號為50Hz，AD7606設置為±5V量程、10Ksps采樣率、8192點FFT計算時所得到的結果。可以看到，此時AD7606的SNR為88.39dB，THD為-107.21dB，完全達到了器件數(shù)據(jù)手冊中給出的指標。因此，本低諧波失真、高頻譜純度的正弦波信號源可以完全滿足對16位分辨率ADC 的評估需求。
