簡介
PXI-5922是一臺具有靈可變分辨率的數(shù)字化儀，它可調(diào)整使用不同的采樣率采集數(shù)據(jù)，以達(dá)到實際應(yīng)用所需的可變分辨率。例如，在低采樣率(最高達(dá)500 kS/s)時，PXI-5922的分辨率達(dá)24位。無須任何改變，該模塊便可降低分辨率以提高采樣速率。下圖便是該數(shù)字化儀的頻率-分辨率曲線圖。

由于其分辨率靈活可變以及動態(tài)范圍寬的特性，PXI-5922成為業(yè)界第一款適用于各種動態(tài)信號測量的通用儀器。正如數(shù)字萬用表(DMM) 用作DC測量 (如電壓、電流和電阻等) 的通用測量設(shè)備，PXI-5922使一臺儀器具備了多臺儀器的測量能力，實現(xiàn)了AC測量的變革。結(jié)合功能強大的開發(fā)軟件（如NI LabVIEW），該數(shù)字化儀在高達(dá)15 MS/s的采樣率范圍具有無與倫比的性能，可以用來替代許多傳統(tǒng)儀器（如音頻分析儀、頻譜分析儀、IF數(shù)字化儀、DC和RMS伏特計和頻率計數(shù)器等）的測量能力。

包括音頻、通信和超聲的許多應(yīng)用都要求極高的動態(tài)性能。傳統(tǒng)儀器的性能雖已有所改進，但仍落后于分辨率和動態(tài)范圍的需求。而在另一方面，PXI-5922前所未有地大幅提升了動態(tài)范圍和分辨率，如圖2所示。該圖描述了NI測量設(shè)備的頻率（一個信號被數(shù)字量化的速率）-分辨率（該信號被采集的精確性）關(guān)系與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集儀器和模塊化儀器的對比差異。

PXI-5922，與其他的虛擬儀器產(chǎn)品相似，利用功能強大的主機完成復(fù)雜的、基于算法的線性化和校準(zhǔn)，以消除溫度漂移和非線性誤差。雖然計算機可以嵌入到傳統(tǒng)儀器，但從以往實踐來看，這些儀器的冗長的開發(fā)周期排除了吸納最新的計算能力的可能。與之相反，隨著計算機能力的增長，新增的計算能力可以立即運用到虛擬測量中。

為什么其它基于PC的數(shù)字化儀無法提供PXI-5922那樣的分辨率？這是因為大多數(shù)制造商依賴組件廠商提供的現(xiàn)成即用的ADC。直到今天，仍未出現(xiàn)能夠與PXI-5922的性能相媲美的可商用的ADC。PXI-5922的世界級性能成為可能，是因為其特點在于下一代具有靈活分辨率的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器——Flex II ADC，它的一部分是在NI設(shè)計的完全定制的模擬ASIC上實現(xiàn)的。

PXI-5922的構(gòu)架

PXI-5922數(shù)字化儀的核心之處在于下一代具有可變分辨率的轉(zhuǎn)換器——基于27 GHz雙極工藝處理的Flex-II ADC。本章節(jié)將討論Flex-II ADC（一個增強型多位DS轉(zhuǎn)換器）的構(gòu)架。

DS ADC概述

是一個簡單的單比特DS ADC的結(jié)構(gòu)框圖，一般包括一個調(diào)制器和一個數(shù)字信號處理器（DSP）。

單比特調(diào)制器由一個減法節(jié)點、一個環(huán)路濾波器、一個1位ADC和反饋環(huán)路上的一個1位DAC組成。ADC和DAC以比期望的采樣率高得多的速率過采樣。過采樣的結(jié)果便是量化噪聲分散在更寬的頻帶上，從而得到比其他ADC構(gòu)架更低的噪聲本底。
模擬輸入信號通過一個減法節(jié)點注入模擬環(huán)路濾波器。該濾波器的內(nèi)在特性——低頻段高增益，高頻段低增益——使它成為一個低通濾波器。來自ADC內(nèi)部的量化噪聲與環(huán)路濾波器的增益成反比。結(jié)果，量化噪聲在反饋環(huán)路被高通濾波。此項技術(shù)被稱為“噪聲整形”，如圖6所示。

這里，量化噪聲的分布發(fā)生了變化。這種噪聲分布的優(yōu)勢在于大多數(shù)噪聲集中在更高的頻率，在DSP中應(yīng)用低通濾波器，可以很容易地在數(shù)字域消除這種高頻噪聲。然后，抽取該信號（由于我們在開始時對該信號進行了過采樣，所以抽取不會導(dǎo)致信息丟失），圖7描述了抽取濾波器的作用。

可變分辨率的Flex II ADC——完全可自定義的模擬ASIC
Flex II ADC是一個增強型的多位DS ADC。與簡單的單比特DS ADC的結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)lex II ADC的關(guān)鍵增強之處使其性能出眾成為可能，這些關(guān)鍵增強之處如下：
· 調(diào)制器內(nèi)部的多比特ADC和DAC
· 數(shù)字線性化和校準(zhǔn)
· 時間連續(xù)環(huán)路濾波器

圖8描述了Flex II ADC（一個增強型DS ADC）的結(jié)構(gòu)框圖。
調(diào)制器內(nèi)部的多位ADC和DAC

由于消除了許多高頻噪聲，單比特DS ADC擁有極寬的動態(tài)范圍。然而，單比特DS ADC的主要缺陷在于工作頻率低，因而在許多需要在更高頻率操作的應(yīng)用中無法使用。

解決單比特DS ADC的頻率限制問題的一個方法是，引申同樣的基本原理以創(chuàng)建一個多位DS ADC。理論上，多位DS ADC能夠達(dá)到與單比特DS ADC同樣水平的動態(tài)范圍，而且是在更高的頻率。然而，多位DS ADC引入了非線性，直到目前，非線性仍是一個有待克服的難題。

PXI-5922是一個6位DS，其主要特點在于在調(diào)制器內(nèi)部有6位ADC和DAC各一個，兩者均以120 MS/s的過采樣率運行。我們采用專利方法對此多位DS ADC進行線性化處理，因此，與常用的傳統(tǒng)單比特DS ADC相比，數(shù)字化儀在高得多的頻率達(dá)到了前所未有的動態(tài)范圍。

數(shù)字線性化與校準(zhǔn)

調(diào)制器內(nèi)部的反饋環(huán)路的一個良好特性便是抑制誤差的能力。不幸的是，它不能抑制環(huán)路的反饋通路上的誤差。因此，DAC中的轉(zhuǎn)換誤差不能被衰減，從而直接影響了調(diào)制器的轉(zhuǎn)換質(zhì)量。DAC從以下兩個方面降低了整個轉(zhuǎn)換的質(zhì)量：

· 輸出中的模擬噪聲

· 非線性

噪聲性能可以通過ASIC的設(shè)計得到控制，但所需的線性度性能更難處理。

考慮一下圖9所示的簡單的2位DAC。DAC轉(zhuǎn)換器由三個電流發(fā)生器（I1-I3）組成，它們分別由三個開關(guān)（S1-S3）控制。最終的輸出電流Iout取決于閉合的開關(guān)的數(shù)目。如果三個電流值不相同，那么DAC的轉(zhuǎn)移函數(shù)呈非線性，如圖9所示。對于轉(zhuǎn)換器的理想操作，三個電流發(fā)生器必須是同等的，而且開關(guān)S1-S3必須同時操作。

DAC的最佳實現(xiàn)是在一塊集成電路上完成，以保證電流值和開關(guān)時間的最可能的匹配。不幸的是，即使在同一個芯片上也無法達(dá)到所要求的性能。

在一個芯片上匹配增強的傳統(tǒng)方法是調(diào)整電路，如通過激光修剪晶片。但封裝、老化和溫度變化都將降低匹配效果，而且，修剪也顯著增加了芯片的生產(chǎn)成本。

為了避開這些問題，PXI-5922采用了不同的途徑——通過DSP已數(shù)字方式補償難以避免的匹配誤差。使用NI專利的靈活分辨率技術(shù)，在自校準(zhǔn)時在電路中導(dǎo)出電流和定時的誤差，這樣比晶片層次上的匹配更為理想。

NI的靈活分辨率技術(shù)被用于誤差參數(shù)的導(dǎo)出。在自校準(zhǔn)時，將一個純模擬正弦波信號注入到轉(zhuǎn)換器，然后，根據(jù)在主機上執(zhí)行的一個復(fù)雜算法從轉(zhuǎn)換器的數(shù)字響應(yīng)提取誤差。
時間連續(xù)的環(huán)路濾波器
與傳統(tǒng)所用的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)電容濾波器相反，F(xiàn)lex II ADC內(nèi)部的環(huán)路濾波器是時間連續(xù)的（TC）。由于需要精密無源器件，很難實現(xiàn)TC集成在芯片上。然而，TC實現(xiàn)對混疊不敏感，所以調(diào)制器的內(nèi)部噪聲源在通帶不會產(chǎn)生混疊和積累。結(jié)果，該轉(zhuǎn)換器噪聲更少，而且分辨率更高。另一個重要的益處就是，由于轉(zhuǎn)換器的無混疊操作摒棄了高頻開關(guān)噪聲，所以將轉(zhuǎn)換器集成到數(shù)字化儀所在的環(huán)境就更容易了。

由于無法將這些增強部分集成在一個芯片上，因而那些過去一直在推動轉(zhuǎn)換器技術(shù)發(fā)展的組件廠商不能夠提供類似性能。

它不僅僅只有高分辨率ADC

除了有一個高性能ADC，有一個不會造成性能瓶頸的前端也很重要。PXI-5922的特點在于有一個世界級的模擬前端，這個前端充分利用高性能的Flex II ADC，并允許數(shù)字化儀提供無與倫比的性能。

輸入放大器的輸入阻抗是軟件可選擇的，50 W或1 MW。50 W的輸入提供正確的BNC電纜端接，這在頻率響應(yīng)很重要的應(yīng)用中是非常有用的。對于驅(qū)動50 W而會導(dǎo)致飽和或線性度降低的信號源，1 MW的輸入模式是非常有用的。

數(shù)字化儀包含一個可選輸入范圍為±1伏或±5伏的可編程增益測量放大器（PGIA）。

同步與存儲核心

PXI-5922是基于同步與存儲核心1（SMC）構(gòu)架構(gòu)建的，所以您可以使用T-Clock2技術(shù)（SMC的一個基本組成），實現(xiàn)PXI-5922模塊與其他基于SMC的模塊化儀器的高精度同步。在搭建包括信號發(fā)生器、高速數(shù)字波形發(fā)生器/分析儀和數(shù)字化儀的混合信號測試系統(tǒng)時，這種同步能力是非常關(guān)鍵的。另外，SMC構(gòu)架為PXI-5922數(shù)字化儀提供每通道高達(dá)256 MB的板上存儲。

PXI-5922的性能示例

PXI-5922是市場上動態(tài)范圍最寬的數(shù)字化儀。對于該數(shù)字化儀的頻率-分辨率曲線圖的大部分，目前沒有一個ADC能有更好的性能，更不要說數(shù)字化儀器了。同樣，沒有一個信號發(fā)生器的動態(tài)性能強于PXI-5922。這主要意味著兩件事情：首先，該數(shù)字化儀可用來刻畫在其頻帶內(nèi)的大多數(shù)DAC的頻率特性；其次，沒有一個信號源能夠產(chǎn)生一個足夠純的正弦波，以刻畫PXI-5922特性。通過使用創(chuàng)新技術(shù)測量線性度、SFDR和SINAD等，我們克服了這個挑戰(zhàn)。本章節(jié)將通過一些典型的性能圖展示PXI-5922的性能。

線性度和SFDR

對于單個正弦波輸入，非線性表現(xiàn)為頻域內(nèi)的諧波。為了測試一個ADC的諧波，進而測試線性度，我們需要一個線性度更好的信號源。由于沒有與PXI-5922性能匹配的信號源可用，很難驗證PXI-5922的線性度性能。因此，我們需要使用有源低通濾波，以衰減非理想正弦波產(chǎn)生的諧波。

圖12是一個滿量程5 Vp的正弦波的頻譜響應(yīng)（由PXI-5922采集得，采樣率200 kS/s，輸入范圍±5 V）。該頻譜不包含超過-120 dB的寄生成分，形成120 dBc的非寄生動態(tài)范圍（SFDR）。

注意頻譜中的低頻噪聲來自信號源。濾波器衰減了信號源中頻率超過30 kHz的噪聲，其余出現(xiàn)在頻譜中的噪聲是有源濾波器造成的，而不是信號源。

上述技術(shù)在低頻（低于100 kHz）時工作得很好。但對于驗證更高頻率的線性度，由于很難找到線性度足夠好的放大器，所以不能使用有源濾波。為了驗證PXI-5922在更高頻率的線性度，我們使用了一種不同的方法，其中包括使用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生一個非理想的正弦波。通過一個線性陷波濾波器衰減基波，準(zhǔn)確檢測來自發(fā)生器的諧波成為可能。然后，修改發(fā)給發(fā)生器的數(shù)字模式就可以迭代消除諧波。

描述了PXI-5922的典型SFDR與頻率的函數(shù)關(guān)系。用PXI-5922（采樣率10 MS/s、范圍±5 V）采集振幅為4 V的單純正弦波。對于1 MHz以下的所有頻率，諧波成分都比100dBc低得多。

SINAD

和線性度相似，找到一個噪聲性能與PXI-5922的低噪聲相匹配的信號源也是不可能的。圖14中的圖形是這樣得到的：一個任意波形發(fā)生器產(chǎn)生了一個幅度為5 V的1 kHz正弦波，再由PXI-5922采集（采樣率100 kS/s、輸入范圍±5 V），最后該輸出經(jīng)過低阻抗分阻器衰減至原信號1/10,000。該衰減操作使發(fā)生器的固有噪聲降低了80dB，從而展示出PXI-5922的真正噪聲性能。注意盡管幅度很小（500 µV），但信號看起來還是很干凈。信噪比是43 dB，要優(yōu)于滿量程下的許多數(shù)字示波器。這樣的性能實際上超過了20位的分辨率。
另一種評價噪聲性能的方法就是，沒有輸入信號，直接采集數(shù)據(jù)。圖15描述了采樣率為10 MS/s時的噪聲本底的FFT曲線圖。頻譜中從DC到4 MHz累積的功率相當(dāng)于滿量程的-95 dB，這幾乎與16位的分辨率相當(dāng)。我們也注意到系統(tǒng)中沒有寄生噪聲成分。噪聲在頻譜中的不均勻分布是前面討論的調(diào)制器中量化噪聲整形所造成的。

抗混疊保護

PXI-5922集成了一個抗混疊濾波器，可以提供一個帶寬為0.4倍采樣率的無混疊頻帶，如圖16所示的概念性頻率響應(yīng)框圖。
圖17和18展示了數(shù)字化儀的抗混疊保護。以采樣率2 MS/s采集滿量程的600 kHz正弦波，符合奈奎斯特定理。如圖17所示，600 kHz信號像預(yù)期那樣出現(xiàn)在同一頻率。然而，當(dāng)采樣率降到1Ms/s時，違背了奈奎斯特定理。如圖18所示，600 kHz信號在通帶中的400 kHz處產(chǎn)生混疊。由于抗混疊濾波器的存在，這個混疊成分被衰減了100dB。

結(jié)論


PXI-5922，通過使用專利技術(shù)和完全定制的模擬ASIC——Flex II ADC，已成為采樣率高達(dá)15 MS/s的市場上可提供最高分辨率和最寬動態(tài)范圍的數(shù)字化儀。靈活的分辨率和極寬的動態(tài)范圍使PXI-5922成為動態(tài)測量的通用儀器。與軟件相結(jié)合，這個通用儀器能用來替代許多傳統(tǒng)儀器。

專利

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