正确使用数字化仪前端信号调理功能

介绍

模块化数字化仪和类似的测量仪器（如图1所示的Spectrum M4i系列）需要将各种信号特性与内部模数转换器（ADC）的固定输入范围相匹配。

数字化仪前端还必须最大程度地减少被测设备的负载并提供适当的耦合。另外，可能需要进行滤波以减少宽带噪声的影响。所有这些功能都由仪器的“前端”提供，其中包括输入与ADC之间的所有电路。数字化仪用户需要了解权衡利弊才能有效使用这些仪器。

图1 频谱M4i.44xx高速数字化仪，包括2和4通道版本，分辨率为14或16位。

图2显示了本示例中使用的Spectrum M4i系列模块化数字化仪的框图。每个输入通道都有自己的前端（绿色阴影部分），可以独立设置。前端提供适当的输入耦合和端接以及范围选择和带宽限制滤波。

图2 M4i.44xx PCI Express 14/16位模块化数字化仪的框图。每个通道的前端显示为绿色。前端提供适当的输入耦合和端接以及范围选择和带宽限制滤波。

前端功能

要使模块化数字转换器最大化实现其多功能性，要求前端电路具有以下功能：

选择一种输入端接，提供匹配的阻抗或具有高阻抗输入的最小负载。
根据需要提供交流或直流耦合，选择耦合模式。
滤波，最大程度地降低噪声同时减少谐波分量（如果存在）。
多个输入范围，可以捕获输入信号电平的大范围变化，同时将噪声和失真降至最低，以保持信号完整性。
内部校准，最大程度地提高准确性。

输入端接

测量仪器应正确终止信号源。对于大多数射频（RF）测量，通常为50Ω端接。匹配的端接会使反射引起的信号损失最小。50Ω匹配的品质因数是回波损耗或电压驻波比（VSWR）。这些品质因数均表示阻抗匹配的质量。

如果源器件具有高输出阻抗，则可以与1MΩ高阻抗端接匹配，从而最大程度地减少电路负载。1MΩ终端还允许使用高阻抗示波器探头，这会进一步增加负载阻抗。通过将1MΩ端接与外部600Ω端接相结合，可以实现与其他标准端接（如600Ω音频）的阻抗匹配。

考虑到方便性和信号完整性，在设计选择输入阻抗时需要进行工程权衡，因此某些模块化数字化仪供应商仅提供50Ω端接。如果您需要一个高阻抗终端或同时具有50Ω和50Ω的高阻抗终端，则应确认制造商是否提供。Spectrum M4i系列旨在为用户提供输入端接的选择，同时保持最高水平的信号完整性。

输入耦合

测量仪器中的输入耦合将测量仪器交流或直流耦合到电源。直流耦合显示整个信号，包括直流偏移（非零均值信号）。交流耦合消除了稳态平均值（DC）。交流耦合可用于直流电源输出的纹波测量等测量。如果没有交流耦合，则直流输出将需要较大的信号衰减，这将使纹波难以精确测量。通过交流耦合，可以使用更高的输入灵敏度，从而更好地测量纹波分量。

交流耦合的关键指标是交流耦合频率响应的低频截止频率（-3dB点下限）。这决定了交流耦合将低频信号衰减到多少。它还与恢复时间有关，即应用于仪器的DC电平改变后，输入电平稳定所需的时间。通常，截止频率越低，耦合电容器越大，建立时间越长。一些模块化数字化仪仅提供AC或DC耦合，而不能选择两者。同样，这是降低复杂性的工程折衷，因为具有固定耦合的数字化仪不必处理继电器或开关等组件。同样，您的应用程序将确定是否可以接受固定或可选的耦合。当测量需求发生变化时，可选的耦合器可以提供更大的灵活性。

输入电压范围

数字转换器ADC通常具有固定的输入范围。最简单的接口是具有与ADC相匹配的固定输入范围的单个输入。尽管简单，除非单个范围恰好是您要使用的范围，否则在测量仪器中是不实用的。为了使输入信号摆幅进入ADC范围，需要使用衰减器或放大器。

衰减器是一个简单的分压器，通常是电阻分压器，可减小输入信号的幅度。使用优质组件设计时，通常不会显著降低信号完整性。衰减器位于信号路径中时，出现的一个问题是仪器内部噪声幅度随前端衰减而缩放（相对于衰减器的输入）。因此，如果数字化仪的噪声电平为58µV，并且添加了10：1衰减器，则参考输入的噪声电平为580µV。噪声水平仍然是衰减满量程范围的相对百分比。

放大器是另一回事。即使设计得当，它们通常也会将噪声引入信号路径。数字化仪的内部噪声在参考输入时会因放大器的增益而降低，在某种程度上可以弥补这一点。放大器还会引入失真，进一步降低信号完整性。放大器的另一个局限性是它们具有固定的增益带宽乘积。如果您尝试增加它们的增益，那么必须成比例降低带宽。这一点可以在带宽降低的高灵敏度范围内看到。

输入电压范围的选择是模块化数字转换器设计中的关键领域，因为它对信号完整性有很大的影响。同时，它为用户提供了更大的灵活性，将可用信号幅度与数字化仪输入范围进行匹配。供应商提供了多种方法来处理。从提供单个固定输入范围（将数字化仪制造商的设计工作转移到需要自己亲自进行正确放大的最终用户）到提供多个输入路径，它们的变化不尽相同。多个输入路径结合了“缓冲”路径和“50Ω”高频（HF）路径，可在输入范围和端接方面提供最大的通用性，而“50Ω”高频（HF）路径可在较少输入范围的情况下提供最高带宽和最佳信号完整性和固定的50Ω端接。

图3中的框图显示了频谱检测的体系结构M4i.44xx模块化数字化仪，包括双输入路径。

图3 M4i.44xx模块化数字化仪体系结构

高频路径经过优化，可提供最佳带宽和最佳信号保真度。缓冲路径通过提供更多和更广泛的输入电压范围选择，提供了最大的通用性。用户可以选择最符合其测量要求的输入路径。

表1比较了14位500MS/s版本（M4i.445x）的每个路径的特性。

表1 M4i.445x高频路径与缓冲路径的特性

	高频路径	缓冲路径
模拟输入阻抗	50Ω	1 M ‖25pF or 50Ω
输入电压范围	±500 mV，±1 V，±2.5 V，±5 V	±200 mV, ±500 mV, ±1 V, ±2 V, ±5 V, ±10 V
输入耦合	交流/直流	交流/直流
最大带宽	250 MHz	125 MHz
RMS噪声电平（无信号）在±500 mV时	< 58 µV	< 70 µV

图4比较了高频和缓冲路径对数字转换器500mV范围内256阶跃斜坡的响应。在此图中，我们正在查看每个路径中的单个步骤（请注意，已为每个路径选择了相邻的步骤，因此它们不会重叠）。

图4 高频和缓冲路径对数字转换器500mV范围内256阶跃斜坡的响应

请注意，缓冲路径中的峰峰值噪声比高频路径中的噪声高。高频路径设计经过优化，可以最大程度地减少噪声，尽管其带宽是缓冲路径的两倍，但噪声仍然低得多。为此性能付出的代价是减少了可用输入范围内的数量，并减少了使用50端接的必要性。还有，如果您选择的模块化数字化仪仅提供与缓冲路径等效的信号，则您会“卡在”噪声水平较高的级别。如图5所示这些波形的直方图，，我们可以看到高频路径的均值分布小于缓冲路径的均值分布。这意味着高频路径中的变化或噪声较小。

图5 高频路径和缓冲路径的直方图

这种现象的量度是标准偏差。在此示例中，高频路径的标准偏差为0.125mV，而缓冲路径的标准偏差为0.183mV。这提供了相同输入信号两个信号路径之间噪声电平差异的量化。应当注意，两个响应也都包含来自信号源和数字化仪的噪声分量。

高频的较高信号完整性的优势还可以从使用两个输入信号路径的数字化仪获取的正弦波频谱中看出。如图6所示。这里显示了通过每个输入路径采集的信号的快速傅里叶变换（FFT）。光标标记频谱峰值和最高杂散的峰值。高频路径的无杂散动态范围为80.9dB，而缓冲路径为60.7dB。还要注意，在高频信号路径情况下，噪声基线较低。

图6 高频路径与缓冲路径的快速傅里叶变换

关于改善信号完整性的一些建议

无论选择哪种信号路径，都有一些常规规则来帮助获得最佳信号完整性。首先是尽可能多地使用输入范围。如果信号幅度稳定，则选择至少使用该范围90％的输入范围。不要过驱动ADC。如果超出满量程范围，则将导致失真或削波，从而产生不需要的谐波并降低信号完整性。

带宽限制滤波器（如果在数字化仪中可用）可以帮助减少噪声。本文使用的数字化仪中，前端有一个模拟20MHz低通滤波器，可以切换以限制数字化仪的带宽。如果输入信号中内容没有高于20MHz，则使用滤波器通过降低20MHz以上的噪声来提高采集信号的信噪比。

内置校准

Spectrum的所有模块化数字化仪通道在出厂前均经过工厂校准。由于模块化数字化仪已集成到PC环境中，其中可能会有PC电源电压和温度等变化，因此该数字化仪的软件驱动程序提供了例程，用于对所有输入范围进行自动板载偏移和增益校准（仅限缓冲信号路径）缓冲信号路径。每个数字化卡均包含一个高精度的内置校准参考。这是一项出色的功能，可在环境变化和老化的情况下帮助保持数字化仪的校准。最好的做法是确保数字化仪正常工作并有足够的时间达到稳定的工作温度后，才能执行校准。通常在10到15分钟后即可达到。

结论

模块化数字化仪的前端需要提供所有必要的功能，以确保准确、可重复的测量。多个输入范围、AC/DC耦合、滤波和内置校准都有助于确保最大的信号完整性和准确性。精心设计的前端将允许用户适当地调节输入信号，确保其覆盖尽可能多的ADC范围，而不会过驱动它。只有这样，数字化仪才能达到最佳的测量精度和精度。

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