Проверка качества аналого-цифровых преобразователей

Проба на чистоту
Jim Williams & Guy Hoover

Введение

Способность безошибочно оцифровывать синусоидальный сигнал является хорошей проверкой качества преобразования для АЦП высокого разрешения. Такая проверка требует наличия генератора синусоидального напряжения с нелинейностью на уровне 1ppm (одна часть на миллион). Кроме того, на выходе преобразователя необходим контрольный цифровой канал для считывания и отображения спектральных компонентов. Проведение пробной проверки за разумные деньги и с приемлимыми трудозатратами требует предварительного обдумывания конструкции и тестирования её параметров.

Общий обзор

На рисунке 1 представлена блок-схема устройства. Сигнал с генератора с малыми искажениями подаётся на вход АЦП через предварительный усилитель. Интерфейсная схема форматирует выходные данные преобразователя и передаёт их в компьютер, на котором запущена программа для спектрального анализа и отображения результатов.

Схема генератора

Генератор является наиболее сложной частью проекта. Для содержательной проверки 18-разрядных АЦП генератор должен иметь запредельно низкий уровень нелинейности, подтверждённый независимо. Основой схемы на рисунке 2 является модифицированный 2kHz мостовой генератор Вина (A1-A2) из работы Винфилда Хилла (Winfield Hill) из Гарвардского Университета. Цепь управления усилением оригинальной схемы, основанная на полевом транзисторе с p-n переходом (J-FET), была заменена на резистивную оптопару на основе CdS, что позволило избавиться от ошибки, вносимой изменением проводимости J-FET, и схемы подстройки, отвечающей за её минимизацию. Ограниченный по полосе пропускания усилитель A3 суммирует выход A2 с постоянным током смещения, выдавая результат через фильтр с частотой среза 2.6 KHz на предварительный усилитель АЦП. Сигнал автоматической регулировки усиления (Automatic gain control - AGC) для генератора A1-A2 берётся с выхода устройства (сигнал "AGC sense"), развязывается по постоянному напряжению и буферируется усилителем A4, выход которого идёт на пиковый детектор A5-A6. Постоянный уровень выхода A6 представляет амплитуду переменной составляющей выходного синусоидального сигнала. Это значение через схему токового сумматора вычитается из напряжения опорного источника LT1029 и подаётся на вход усилителя AGC A7. Усилитель A7 через эмиттерный повторитель на Q1 замыкает петлю обратной связи, управляя током светодиода оптопары и, соответственно, сопротивлением CdS-фотоэлемента, стабилизирующего амплитуду генератора. Использование выходного сигнала для обратной связи по усилению делает амплитуду нечувствительной к затуханию, вносимому ограниченным по полосе буфером A3 и выходным фильтром. И, кроме того, переносит основные требования к параметрам активных компонентов на динамические свойства усилителя A7, замыкающего петлю обратной связи. А именно: ограничение полосы A3 вкупе с выходным фильтром, вносимая усилителем A6 задержка и подавляющая пульсации цепь в базе Q1 приводят к заметному отставанию фазы. Основной полюс характеристики A7, задаваемый конденсатором 1µF, вместе с нулём RC цепочки компенсирует задержку, получая в итоге стабильное петлевое усиление. Такой подход заменяет точно настороенный выходной фильтр высокого порядка простой RC цепью, минимизируя нелинейности при регулировании выходной амплитуды (*1).

Рисунок 1. Блок-схема стенда для проверки чистоты аналого-цифрового преобразования. Предполагается, что генератор не имеет искажений, а все видимые спектральные компоненты возникают из-за неточности аналого-цифрового преобразования

Рисунок 2. Мостовой генератор Вина, использующий на пути прохождения сигнала только инвертирующие усилители, достигает уровня искажений 3ppm. Фоторезистивная оптопара в цепи управления усилением, заменяющая используемый обычно J-FET, исключает вносящие искажения изменения проводимости. Затухание, вносимое фильтром A3, компенсируется узлом автоматической регулировки усиления (AGC) с помощью сигнала обратной связи, снимаемого непосредственно с выхода схемы. "DC Offset" смещает выходной сигнал в рабочую область предварительного усилителя АЦП. Примечания к схеме: - Подстраивать потенциометр 100 Ом до достижения падения напряжения на резисторе 5V. При необходимости подстроить резистор номиналом 909 Ом. - Развязать питание каждого операционного усилителя конденсатором с твёрдым электролитом типа OS-CON ёмкостью 10µF. - Использование в устройстве керамических конденсаторов не допускается. Использовать металлофольговые или слюдяные. - Времязадающий конденсатор ёмкостью 0.01µF должен быть полистироловый. Допускается замена на полипропиленовый. Внешний вывод фольги подключать к выходу операционного усилителя. - Все резисторы металлоплёночные, 1%, если не указано иное. - Все резисторы, отмеченные звёздочкой, должны быть типа IRC CAR-5, 1% . - Все резисторы с точностью 0.1% должны быть типа IRC CAR-5. - Оптопара типа Silonex NSL32SR3

Исключение из тока управления светодиодом спектральных компонентов выходного сигнала необходимы для получения малых искажений. Такие остаточные компоненты вносят в сигнал генератора нелинейности, модулируя его по амплитуде. Ограниченный по полосе сигнал AGC на всём пути распространения тщательно фильтруется, а RC цепь с большой постоянной времени в базе Q1 обеспечивает завершающий крутой спад. Рисунок 3 показывает, что при общей величине тока эмиттера Q1, равного 10mA, уровень вносимых генератором пульсаций находится в пределах 1nA то есть менее 0.1ppm.

Рисунок 3. Выход генератора (луч A) и относящиеся к нему остаточные компоненты (луч B), ещё различимые в шумах эмиттера Q1 - около 1nA или приблизительно 0.1ppm от общего тока светодиода. Для получения такого показателя сигнал AGC на всём пути прохождения тщательно фильтруется для подавления модулирующего воздействия компонентов выходного сигнала на оптопару

Такие параметры генератора достигаются использованием только одного подстроечного элемента. Эта подстройка, центрирующая диапазон захвата AGC, проводится в соответствии с примечаниями к схеме.

Проверка искажений генератора

Для проверки искажений генератора нужны нетривиальные методы измерения. Попытка измерения искажений с помощью обычного измерителя нелинейных искажений даже при использовании высококачественных приборов сталкивается с ограничениями. Рисунок 4 показывает выход генератора (луч A) и уровень его искажений с выхода измерителя (луч B). Вся активность генератора едва заметна на фоне шумов и погрешностей анализатора. Использованный HP-339A имеет нижний предел измеряемых искажений на уровне 18ppm. Фотография на рисунке сделана при показаниях прибора 9ppm. Искажения внесены вблизи или ниже предела чувствительности прибора, что делает результат измерения, выходящий за озвученные документацией пределы, очень сомнительным (*2). Для реального измерения искажений генератора требуется анализатор с необычайно низким пределом погрешности. Данные на рисунке 5 получены с модели "Audio Precision 2722", объявляющей общий уровень искажений и шума (THD + N) в пределах 2.5ppm (типовое значение 1.5ppm). Рисунок показывает общий уровень гармонических искажений (Total Harmonic Distortion - THD) –110dB или около 3ppm. Рисунок 6, полученный с того же прибора, показывает общий уровень искажений и шума (THD + N) -105dB или приблизительно 5.8ppm. Результаты последней проверки (рисунок 7) показывают уровень спектральных компонентов. Третья гармоника имеет уровень -112dB или 2.4ppm. Эти измерения подтверждают пригодность использования генератора для получения сведений о качестве аналого-цифрового преобразования.

Рисунок 4. Измеритель нелинейных искажений HP-339A работает ниже собственного предела измерений и его показания недостоверны (луч B). Выход анализатора содержит неопределённую смесь характерных признаков ("отпечатков пальцев") генератора и прибора, на которую нельзя полагаться. Луч A показывает выход генератора

Проверка АЦП

Для проверки выход генератора подключается к предварительному усилителю АЦП. В тестах измеряется общий уровень искажений пары усилитель-АЦП. Выход преобразователя проверяется компьютером, который показывает количественные значения спектральных компонентов ошибки (рисунок 8) (*3). Зона временной области дисплея показывает основной синусоидальный сигнал, отцентрованный в рабочем диапазоне АЦП. Частотная область представляет спектральные составляющие и данные преобразователя в табличной форме. У тестируемой пары 18-битного АЦП LTC2379 и предусилилеля LT6350 вторая гармоника имеет уровень –111dB или около 2.8ppm, а гармоники более высокого порядка находятся гораздо ниже этого уровня. АЦП и предусилитель работают правильно и удовлетворяют спецификации. Возможность компенсации искажений в связке генератор-предусилитель-преобразователь позволяет проводить измерение характеристик нескольких экземпляров АЦП, что увеличивает надёжность тестов (*4).

Рисунок 5. Уровень THD генератора, измеренный анализатором Audio Precision 2722, составляет –110dB или около 3ppm

Рисунок 6. Уровень THD + N генератора, измеренный анализатором AP-2722, составляет –105dB или около 5.8ppm

Рисунок 7. Спектральный выход AP-2722 показывает третью гармонику на уровне –112.5dB или 2.4ppm

Рисунок 8. Часть индикатора тестовой системы с рисунка 1, включающая временную информацию, спектральные составляющие и данные в табличной форме для 18-битного АЦП LTC2379 с предусилителем LT6350