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增强ADC性能的频率抖动法

导读: 自从70 年代末以来,设计师成功地提高了A/D 转换器的有效分辨力和寄生性能,方法是在变换器的输入端加入抖动(非相关噪声),然后用 DSP 技术将噪声从变换后的数据中中和。最常见的抖动方法是在A/D变换器输入信号上增加随机振幅噪声。

  自从70 年代末以来,设计师成功地提高了A/D 转换器的有效分辨力和寄生性能,方法是在变换器的输入端加入抖动(非相关噪声),然后用 DSP 技术将噪声从变换后的数据中中和。最常见的抖动方法是在A/D变换器输入信号上增加随机振幅噪声。尽管这种方法具有实用性,但增加的噪声中包含有大的随机峰值信号。为使 A/D 变换器输入端口不致进入饱和,设计师必须知道峰值信号以及峰值抖动电平。即使短时间的饱和也会使 A/D 变换器增加更多非线性成分,从而超过抖动可以消除的范围。

  另一种方法是增加一个频率抖动而振幅恒定的信号。图1显示一种可能的实现方案,它采用一只Linear公司LTC1799可编程振荡器IC2,工作在VCO(压控振荡器)模式,此时用施加电压调制中心频率。LTC1799的中心频率可以设为1 kHz至33 MHz,使之适合作为现有大部分A/D变换器的抖动发生器。由于LTC1799的输出中包含有一个方波,因此其峰值输出振幅是确定的。

  可以将随机抖动的中心频率设为低于或高于所关注的信号频率。对于窄带中频的变换,高于或低于信号频率的中心频率都可以工作得很好。对于必须工作在直流状态下的A/D变换器,唯一可用的位置是高于所关注的信号频率。有一种方法是将抖动频率置于采样频率或 Nyquist频率一半的地方。此时,随机噪声一般不会干扰所需信号,产生的任何假频都只会涉及自己周围的随机频率噪声,而不会进入所需的信号频带。

  图1中的电路采用了一个20 MHz采样的A/D变换器,在大约10 MHz中心频率的周围产生随机噪声。随机噪声的生成可以采用任何技术,包括数字移位寄存器和偏置在击穿区的半导体结。在本例中,用一支12V的齐纳二极管D1来产生噪声,一个二级放大器完成放大及频率成形。必要时,可以用更复杂的有源滤波电路(IC1A和IC1B)来进一步修整噪声分布形态。经过滤波后,噪声对LTC1799进行调制。要保证LTC1799的电源电压是纯直流,没有纹波,因为电源噪声会产生非随机的AM边带。

 

  图 1, 一支齐纳二极管、二级放大和一个 FM 压控振荡器构成了一个振幅恒定的抖动发生器。

  图2显示了图1设计中有限频谱的振幅-频率曲线。根据电路的配置,可以用一个小耦合电容或更复杂的有源求和电路将抖动加到 A/D 变换器上。虽然齐纳二极管噪声发生器理论上是简单的,但它们在生产环境下性能不佳,因为其噪声输出变化很大。即使是同一生产批次的二极管,也可以观察到所谓爆米花噪声、不规则分布的噪声柱形图、振幅漂移以及频率加权噪声。

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