高速A/D转换的动态精度研究

高速 ADC广泛应用于各个领域。动态精度要求一直是数据采集和处理过程中的核心问题。本课题主要涉及的动态特性是 A/D转换器的有效位数，介绍当前比较实用的A/D转换器有效位数的两种测试方法:正弦曲线拟合法和FFT分析法几并从理论和实际测量来分析这两种测试方法，研究这两种方法求有效位数的异同。首先从理论上对拟合法求ENOB和FFT法求 ENOB进行分析，讨论这两种方法的等效性，发现这两测试种方法在测量对象是正弦波的情况下是等效的。介绍了FFT法求ENOB的具体方法。研究了FFT法的准确性问题，比较了几种改善 FFT准确性的方法。发现在一个周期内的点数较少的情况下，使用加汉宁窗进行数据处理后进行 FFT分析，能够更好地解决 FFT频谱幅度准确性和频谱泄漏问题。介绍了理论模拟数据的 FFT频谱分析，分别研究了量化误差、由放大通路的有限压摆率所引起的误差和非线性误差对信号频谱的影响以及它们之间的相互叠加后的频谱。发现量化误差对所有谐波分量都有影响，由放大通路的有限压摆率所引起的误差只对基波以外奇次谐波分量有影响，而大多数非线性误差只对偶次谐波分量有影响，而且，三种误差共同作用的频谱效果基本上是各自单独作用的叠加。介绍了正弦曲线拟合法。采用了图像直观拟合以简化拟合复杂性。此外，还研究了基波二次谐波三次谐波综合拟合法。对多组实验数据进行处理和分析表明当信号源二次、三次谐波失真较大时，单纯正弦曲线拟合法求出的ENOB值偏低，都小于FFT法的ENOB值。如果采用包含二次谐波三次谐波的综合拟合法，由于所有二次、三次谐波失真都被排除掉，求出的 ENOB值都偏高，大于FFT法的 ENOB值。由于两种 FFT法求得的ENOB都是介于由拟合法求得的ENOB的下限值和上限值之间。实验数据基本符合正弦曲线拟合法和 FFT分析法两种ENOB等效的理论分析结论。还对某自制的含可改变运算放大器硬件的数据采集系统进行动态精度改进初探。实验表明减法运算放大器增益带宽是硬件方法的关键。对实验数据的三次谐波的分析表明，在一定频率范围内，提高减法运算放大器的增益带宽能有效减少三次谐波的幅度。实验还表明FFT平滑也是改进动态精度的一种有效方法，但如果设定的平滑点数太多会导致平滑正弦波幅度的减小，使得利用 FFT平滑改进动态精度受到限制。