【虹科分享】影响数字化仪精度的因素

数字化仪的两个关键参数是带宽和幅度分辨率。这两个参数不是独立的——随着带宽的降低，分辨率会提高。用户必须权衡选择数字化仪以满足他们的测量需求。在实际测量中，噪声和失真对数字化仪可实现的分辨率也有一定影响，本文将探讨影响数字化仪精度的各类因素。

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分辨率和动态范围

数字转换器使用模数转换器(ADC)将模拟信号的样本转换为数字值。ADC的分辨率是指数字化仪输入样本的位数。对于n位ADC，可产生的离散数字电平数为2的n次方。因此，12位数字化仪可以解析2的12次方即4096级。最低有效位(lsb)表示可以检测到的最小间隔，在12位数字化仪的情况下为1/4096或2.4×10伏。要将lsb转换为电压，我们将数字化仪的输入范围除以2即可得到。表1显示了分辨率为8至16位的数字化仪在1伏（±500mV)输入范围内的lsb。

分辨率决定了测量的精度。数字化仪分辨率越高，测量值越精确。带有8位ADC的数字化仪将输入放大器的垂直范围划分为256个离散电平。对于1V的垂直范围，8位ADC无法理想地处理小于3.92mV的电压差；而具有65,656个离散电平的16位ADC则可以处理低至15的电压差。

使用虹科高分辨率数字化仪的一个原因是可以测量小信号。根据计算最小电压电平的方式，我们可以使用分辨率较低的仪器和较小的满量程范围来测量较小的电压。然而，许多信号同时包含小信号和大信号分量。因此，对于具有大电压分量和小电压分量的信号，需要具有大动态范围和能够同时测量小信号和大信号能力的高分辨率仪器。

图1 虹科数字化仪分辨率对测量精度的比较

如果波形通过不同分辨率的数字化仪会是什么样子？图1比较了12、14和16位理想数字化仪对一段±200mV阻尼正弦波形的响应。所选的段接近波形的末端并且幅度很小。14位和16位数字化仪具有足够的分辨率来准确呈现信号，但100分辨率（基于±200mV的满量程电平）的12位数字化仪无法解析小于100的电平。对于任何分辨率，读数误差都会随着信号幅度的减小而增加。这是一个理想状况，稍后我们将研究现实中限制准确性和精度的因素。

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分辨率与采样率

图2：作为采样率函数的数字化仪分辨率图，图上的趋势线显示了虹科Spectrum产品与竞争对手之间的差异。

如前所述，分辨率和最大采样率以及带宽之间存在折衷。更高的分辨率是以更低的最大采样率为代价的，如图2所示。虹科 Spectrum M4i系列的14位和16位模型相比其他品牌具有更高的有效采样率。

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实现最大分辨率的限制

数字化仪误差有多种来源，可以分为噪声和失真。

失真是采集波形中与被测信号高度相关的误差。失真不是随机的，而是取决于输入信号。最常见的失真形式是谐波失真。在谐波失真的情况下，失真分量在频域中出现在输入频率的整数倍处。谐波失真的典型来源是数字化仪系统传递函数的非线性，包括饱和、削波、压摆率限制等。由于每个ADC的增益和偏移不匹配，交错多个AC以实现更高采样率的数字化仪配置会在采样频率上增加显著失真，被称为交错失真。

与失真相反，噪声被定义为与输入信号不相关的误差。噪声可以是误差信号的任何部分，其频率位置不是输入频率的函数所得。噪声可以根据噪声的分布（即误差直方图的形状）或噪声频谱的形状分为几类。当根据频率形状进行分类时，均匀分布在所有频率上的噪声称为白噪声。分布使得每倍频程噪声功率恒定的噪声称为粉红噪声。除了这两类外还有许多其他噪声形状。

噪声也可以按直方图的分布进行分类。具有正态分布的噪声称为高斯噪声。高斯噪声的来源很多。噪声也是通过量化产生的，实际上是将模拟电压转换为数字电压时的舍入误差。

图3：有和没有幅度噪声的阻尼正弦波形

所有电子设备中都会出现噪声，设计人员尽一切努力减少添加到输入信号中的噪声。增益级特别容易产生和增加数字化仪中的噪声电平。

失真和噪声都限制了数字化仪可以实现的分辨率。可以从图3看出，噪声通过向每个样本值添加随机分量，限制了数字化仪解析小幅度值的能力。带有附加噪声的曲线显示的幅度转换超过了显示波形右侧的信号峰值幅度，从而掩盖了实际的信号结构。随着噪声水平的增加，它将使具有更高幅度值的信号分量变得模糊，从而进一步降低测量的分辨率。

图4：带噪声和不带噪声的阻尼正弦的频率视图。添加高斯白噪声会提高与噪声幅度成比例的基线。

类似地，图4显示了有和没有白噪声的阻尼正弦信号的频域频谱。请注意，添加噪声会提高频谱的基线，任何幅度低于本底噪声的信号都将被遮蔽，从而有效地限制数字化仪的动态范围。

图5：时域中谐波失真对数字化波形的影响

图5显示了谐波失真对数字化波形的影响。在本例中，相对较大的三次谐波会改变数字化波形的形状。如前所述，与源波形同步的失真以可重复的方式增加。通常，谐波失真的电平要低得多，并且在时域波形上不可见。

图 6：未失真波形和谐波失真波形的频谱比较

如图6所示，使用快速傅里叶变换(FFT)的频谱分析仪在频域中评估谐波。在频域中，您可以清楚地看到3次谐波。谐波和其他失真的存在会隐藏限制数字化仪动态范围的较小频谱特征。衡量数字化仪输出频谱纯度的一种方法是无杂散动态范围(SFDR)。SFDR定义为RMS信号频率分量与其输出端下一个较大频谱分量（通常称为“杂散”）的RMS值之比。图6中的理想频谱的SFDR约为81dB。

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最小化噪声和失真的影响

尽量减少失真的影响是数字化仪设计人员的职责，在设计中必须减少非线性、谐波失真和其他失真源。除了不过度驱动数字化仪之外，用户几乎无法控制减少失真，但用户可以控制最小化对噪声的影响。以下是一些简单的方法：

#1

在数字化仪的输入范围内使正在分析的信号达到最大。这将使信噪比最大化。具有多范围的数字化仪使这更容易，但要确保噪声水平不随输入衰减而缩放。

#2

使用与应用一致的最小测量带宽。噪声水平与带宽成正比。这可以通过输入带宽限制或数字滤波来实现。使用信号处理来降低与平均测量次数成正比的噪声水平，这种方法需要可重复的信号和多次采集。

#3

对于低电平信号，使用外部低噪声放大器来提高信号电平并最大化信噪比。

#4

在完整的信号路径中使用正确的端接。对于高带宽，信号源、电缆和数字化仪端接的完整50欧姆端接是一个不错的选择。

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比较数字化仪的噪声和失真性能

品质因数是具有通用定义的测量值，可以立即传达所描述测量系统的质量。

除基线噪声外，所有这些品质因数均基于正弦输入的数字化仪的频域分析。它们在IEEE标准1057和1241中定义。大多数数字化仪供应商在其数据表中指定了这些值。比较品质因数时，请确保它们具有相同的输入频率、输入幅度、采样率和带宽。

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需要具有高动态范围的数字化仪的应用

图7：现代数字化仪系列示例，虹科 Spectrum M4i系列数字化仪平台包括2和4通道版本，分辨率为14或16位，基于 PCI Express x8Gen2接口，支持高达3.4 GBytes/s的传输速率。

▲回波测距：回波测距测量，例如雷达、声纳、激光雷达、超声和医学成像。在这些应用中，一个大的发射脉冲之后是一个弱得多的回波，数字化仪能够准确地处理两个幅度信号。

▲纹波测量：需要测量具有高偏移值和偏移顶部的小变化信号，这两个组件都需要进行表征。

▲调制分析：幅度调制信号(AM、SSB、QAM等)表现出信号幅度的广泛变化。

▲质谱法：需要检测质荷比明显不同的粒子或需要提高质谱仪的灵敏度。

▲相位测量：相位测量需要测量非常小的幅度差异，以区分小的相位差。

▲传播研究：测量不同路径和通过不同媒介的信号路径衰减通常会导致幅度值范围很大。

▲组件测试：需要表征大的电压或电流降。

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测量示例

我们的测量示例使用虹科 Spectrum M4i系列数字化仪（图7）。其ENOB规范在10MHz时大于11.6位。叠加在该测量上的是具有10位ENOB的数字化仪模拟。该数据使用 Spectrum的SBench6软件以图形显示。

图8 11.6（黄色曲线）和10（蓝色曲线）有效位的测量比较。右侧网格显示扩展（缩放）的相同数据。请注意由于缺乏分辨率而导致蓝色轨迹中的细节丢失

两个测量都显示在左侧网格中，频谱数字化仪曲线显示为黄色，另一条曲线显示为蓝色。右侧网格是水平和垂直扩展的相同数据。请注意，由于分辨率有限，蓝色曲线无法显示低幅度细节。

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结论

虹科数字化仪根据ADC中的位数指定理想分辨率。由于存在噪声和失真产物，理想分辨率会降低，实际分辨率以基线噪声、SNR、 SINAD和ENOB的形式指定。在选择数字化仪时，可以根据测量需求选择相应分辨率的虹科数字化仪，同时还应该考虑到其他因素，如低噪声组件和布局、多输入范围、专用信号路径和信号调理。

虹科测试测量团队

虹科是在各细分专业技术领域内的资源整合及技术服务落地供应商。在测试测量行业经验超过17年的高科技公司，虹科与世界知名的测量行业巨头公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供领域内顶尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平台的多种功能模块，以及自动化测试软件平台和测试系统，通用台式信号源设备，高速数字化仪，EMC和射频测试方案等。事业部目前已经提供覆盖半导体、3C、汽车行业的超过25个大型和超大型自研系统项目。我们的解决方案已在汽车电子、半导体、通信、航空航天、军工等多个行业得到验证。此外，我们积极参与半导体、汽车测试等行业协会的工作，为推广先进技术的普及做出了重要贡献。至今，虹科已经先后为全国用户提供了100+不同的解决方案和项目，并且获得了行业内用户极好口碑。