数字化仪的8大动态参数

在选择用于获取电子信号的数字化仪时，考虑的主要规格往往是采样率，带宽和分辨率。前两个参数有助于定义数字化仪能够捕获的最大频率内容。作为精确和可重复测量的一般指南，用户通常尝试以比其最高频率快10倍的采样速率对信号进行采样。例如，以大约100MS/s的速率采样10MHz信号，确保数字化信号具有足够的时间分辨率准确再现。类似地，为了确定信号不会被无意衰减（丢失幅度信息），用户通常希望数字化仪的模拟带宽至少比其最高信号频率高2至5倍。因此，测量10MHz信号通常需要20至50MHz的带宽。

采样率和带宽对于显示信号的时间和频率内容是十分重要的，而分辨率是第三个参数，它是检测幅度变化和显示波形细节的重要参数。然而，许多人很容易将分辨率与准确性，精度和灵敏度相混淆。虽然它会对这些参数产生重大影响，但并不能反应全部的情况。用户需要考虑数字化仪误差的所有可能来源（如时钟精度，失真，噪声和线性度），以了解产品在测量其特定信号类别时的性能。为了确定这些错误的影响，好的数字化仪制造商提供了许多辅助规格（通常称为动态参数）来演示其模型在各种受控测试条件下的性能。

图1 M4i.4451-x8数字化仪

什么是分辨率？

所有数字化仪制造商都以位为单位指定分辨率，表示模数转换器（ADC）在其满量程（FS）输入范围内可以分辨多少级。级别数为2n，其中n为ADC的位数。因此，一个8位ADC具有256个电平，而更高分辨率的16位ADC具有65,536个电平。

辨别级别通常称为最低有效位（LSB），由等式1LSB=FS/2n定义。表1总结了一系列分辨率从8位到16位的数字化仪的理论LSB性能。在此示例中，满量程范围为1V。

表1 不同ADC分辨率的步长

该表显示，更高分辨率的ADC能够以更精确的电压阶跃进行测量。但是，它并不表示任何误差源（例如时钟抖动，噪声和ADC非线性）可能会对理论性能产生影响。想进一步了解，我们还需要检查数字化仪的动态参数，才能确定单位的实际表现。

信噪比

想知道数字化仪在检测隐藏在较大信号中的小信号（低电平）时的性能如何，需要检查数字转换器的SNR（而不仅仅是分辨率）。SNR是一种将所需信号的幅值与背景噪声幅值进行比较的度量值。SNR通常以分贝（dB）表示，并通过以下公式计算

SNR(dB)=10log10(Psignal/Pnoise)，其中P是平均功率。如果测量以伏特或安培为单位的信号和噪声幅度，则可以通过对RMS幅度测量值进行平方来获得比例功率SNR(dB)=10log10[(Asignal/Anoise)2]

考虑数字化仪的动态性能和范围时，实际上测量信号电平（并非总是最大）与噪声之比的SNR，通常提供比单位理论LSB更真实的值。同样重要的是SNR会根据输入信号而变化。这样，为了表示数字化仪的性能，制造商应在各种测试条件下使用定义明确的参考信号来测量SNR。表2显示了在制造过程中测试M4i.4451-x8、500MS/s，14位数字化仪（图1）SNR的示例。测量中使用了3个不同的信号频率（10、40和70MHz）以及不同的满量程范围。这些测量结果使用户可以快速判断在类似测试条件下的预期性能，然后在使用自己的特定信号时考虑其含义。根据制造商的要求，可以提供更多不同设置的结果。

表2 M4i.4451-x8数字化仪数据表中的动态参数

无杂散动态范围

确定数字化仪检测低电平信号的适用性时要考虑的另一个关键性能参数是SFDR。杂散信号是测量波形中存在，输入波形中不存在的任何信号分量。杂散组件是一种异常，通常是由数字化设备本身生成的。制造商通常通过输入纯正弦波，将其数字化，然后使用快速傅立叶变换在频域中对其进行检查来确定SFDR。然后，通过查看纯正弦波的RMS值与峰值杂散信号之间的差异（以dB表示）来测量SFDR。SFDR很重要，因为它清楚地指示了可以与较大信号区分开的最小信号值。

图2

图2显示了使用M4i.4451-x8数字化仪进行的SFDR测量。此外，SFDR测量可以在有无输入信号谐波的情况下进行。表2显示了在各种不同的测试条件下获得的SFDR结果。

总谐波失真（THD）

数字化仪能否捕获和再现信号的效果还取决于在此过程中产生波形的失真程度。当信号通过单元的主要组件，例如信号调节电路（放大器和衰减器）和ADC本身，它会受到非线性和滤波的影响。为了了解信号可能失真的程度，数字化仪制造商通常提供单位THD的度量值。与SNR和SFDR一样，THD通常通过使用多种纯参考信号进行测量。然后通过检查一组高次谐波频率的RMS振幅与参考信号基频的RMS振幅之比来确定。该值使用以下公式计算THD=Σharmonic powers/fundamental frequency power=(P2+P3+P4+….+Pn)/P1

表2列出了在M4i.4451-x8数字化仪在各种不同测试条件下获得的THD结果。超过采样速率1/2 的FFT带宽的快速输入信号的谐波被视为进入较低频率的镜像信号。通常，由于噪声水平以上看不到较高的谐波含量，因此总共要考虑6个谐波。

噪声和失真比信号（SINAD）

SINAD（有时也称为THD+N）参数非常有用，因为它可以通过测量总接收功率（通常来自参考信号）与噪声加失真功率的比值来查看SNR和失真。可以由等式SINAD=(Psignal+Pnoise+Pdistortion)/(Pnoise+Pdistortion)计算。表2显示了M4i.4451-x8数字化仪的在各种不同测试条件下获得的SINAD结果。

有效位数（ENOB）

ENOB可能是数字化仪最有价值的动态参数之一。该性能指标旨在将数字化仪的测量性能（包括信号路径的所有元素）与理想ADC的性能进行比较。ENOB很重要，因为它在最终结果中结合了可能的误差源（时钟抖动、噪声、失真等）。也可以用SINAD计算ENOB，ENOB=(SINAD–1.76)/6.02。由于ENOB以位为单位，因此可以与数字化仪规定的分辨率进行比较。表2也显示了M4i.4451-x8数字化仪在多个测试条件下测得的ENOB值。有时仅基于SNR给出ENOB，而不考虑THD分量，但最好同时将两个数字进行比较。

在此重要的是要了解，ENOB可能会受到输入测试信号频率的严重影响。随着频率的增加，ENOB通常会降低。因此，比较不同的数字化仪时，在类似的测试条件下检查其ENOB至关重要。也就是说，随着频率的提高，一些数字化仪产品放弃了很多有效的分辨率。这通常是由于设备设计不佳造成的。如果不能很好地控制时钟抖动，噪声和失真等参数，那么数字转换器的ENOB仅为其ADC规定分辨率的一半就不罕见了。

复制制造商的测量值

在测试演示设备时或购买设备后，您可能需要复制制造商的测量值，以便将数字化仪与规格进行比较，判断数字化仪的性能。通常制造商提供基本可以执行SNR，THD和SFDR计算的测量软件。或使用第三方工具，这样需要测量信号源，电缆和数字化仪的完整信号链的质量。这在查看高分辨率数字化仪时非常重要，因为现成的信号发生器没有达到足够高的性能水平直接用作测试信号源。

数字化仪制造商都使用附加的高性能带通滤波器来获取纯正弦信号，信号发生器中尽可能少的额外噪声和失真。要复制其测量值，每个测试信号频率都要使用相同级别的设备。

测量性能最大化

显然，如果精度，精度和灵敏度很重要，那么选择具有最佳动态参数规格的数字化仪是一个好的开始。但是，还有一些有用的提示可能会对最终结果产生重大影响。如下：

1. 1.始终最大化要分析的信号，使其尽可能覆盖数字化仪的输入范围。通过使用更多的ADC动态范围，可以最大程度地提高信噪比。选择具有多个输入范围的数字化仪会变得更容易，但要确保噪声水平不会随任何应用的衰减或放大而缩放。

2. 2.使用与应用程序一致的最小测量带宽。噪声级别与带宽成正比。这可以使用输入带宽限制或数字滤波来实现。

3. 3.使用信号处理（如求平均值）可降低与平均测量次数成正比的噪声水平。要注意的是，这需要可重复的信号和多次采集。

4. 4.对于低电平信号，请使用外部“低噪声”放大器来提高信号电平并最大化信噪比。

5. 5.在完整的信号路径中使用正确的端接。对于高带宽应用，信号源，电缆和数字化仪终端的完整50Ω终端是一个不错的选择。

结论

在为特定应用选择数字化仪时，如果要确保产品能够执行所需的测量任务，请查看采样率、带宽和分辨率的规格。动态参数SNR、SFDR、THD、SINAD和ENOB都可以提供产品在特定条件下性能信息。考虑预期信号并检查动态参数（应在与信号相似的频率和振幅范围内测量），以确保它们满足或超过所需要求。不要相信没有给出任何关于如何测量的背景资料的单一数字。只有这样，才确信产品将在您的环境中提供所需的测量结果。