如何正确使用数字化仪前端信号调理？（二）

在上期文章如何正确使用数字化仪前端信号调理？（一）中，我们为大家介绍了数字化仪前端电路所需的特性以及使用过程中需要的输入抗阻和输入耦合，本期文章将为您介绍数字化仪前端信号调理的使用过程中所需的输入电压范围，与您分享一些改善信号完整性的小技巧以及数字化仪的内置校准功能。

一、输入电压范围

数字化仪内部的核心ADC通常具有固定的输入量程。最简单的直连接口同样也只能提供一个固定量程，该量程与ADC的输入量程匹配。这种方式虽然简单，但在测量仪器中并不实用，除非这单一的量程恰好是用户需要使用的量程。而如果要将输入信号幅值调整到ADC的量程范围内，就需要有一个衰减器或放大器。

1.衰减器

其中衰减器是一种简单的电压分压器，通常为阻性分压，可以降低输入信号的幅值。当使用优质元件设计和制作时，通常不会显著降低信号的完整性。当衰减器在插入到信号路径中时，会出现的一个问题是，仪器内部噪声幅值等效到衰减前的强度会随着前端衰减比的变化而变化。比如，如果原本一个具有58 μV RMS噪声水平的数字化仪，在添加一个 10:1 的衰减器后，噪声水平相等效到输入端则是580 μV。也就是说，在增加衰减后，噪声水平相对于新的全量程范围仍然有相同的百分比比例。

2.放大器

放大器则是另一回事。即使具有正确设计，它们通常也会将额外的噪声引入信号路径，但同时，放大器的增益又会降低内部噪声等效到输入端的幅值，这种现象在某种程度上说也是一种对精度的补偿。放大器还可能引入失真，而进一步降低信号完整性。放大器的另一个限制是它们具有固定的增益带宽积。如果您希望增加它们的增益，则带宽必然会相应地降低。您还可以在高灵敏度范围参数中看到这一点，该参数对应的带宽也会被降低。

输入电压范围的选择是数字化仪设计中的关键课题，因为它会对信号的完整性产生重大影响。但同时，它也为用户提供了更大的灵活性，使用户可以根据可用的信号幅度更好地匹配ADC输入范围。数字化仪制造商提供了各种处理这种权衡的方法。通常，他们会从提供单一固定输入范围开始，然后逐渐将设计工作服务对象从ADC制造商转移到关注应用所需正确量程范围的最终用户，最终提供多种输入路径。多个输入路径配合带缓冲路径，提供了最大的输入范围和终端负载的灵活性，此外50Ω高频（HF）路径，则通过提供较少的输入范围和固定的50Ω负载电阻，提供了最高的带宽和最佳的信号完整性。

图3所示的结构框图展示了德思特TS-M4i系列板卡式数字化仪的模拟输入通道前端架构，该前端部分包括两个输入路径。

图3：德思特TS-M4i数字化仪的前端架构框图，其中含有全功能前端所需的各种元素，包括双输入路径、耦合、终端阻抗、滤波和内部校准源

在我们的设计中，高频路径为提供尽量大的带宽和尽量好的信号保真度而优化。而缓冲路径则通过提供更多的、范围更广的量程选择，为用户提供更大的灵活性。用户可以根据实际测量需求选择最佳的输入路径。

表1展示了14位、500 MS/s数字化仪（TS-M4i.445x型号）中两种路径的参数比较。

表1：14位、500 MS/s数字化仪中高频路径和缓冲路径的特性比较

图4提供了对数字化仪500 mV量程档上256级台阶波形的高频和缓冲路径响应对比。在这张图中，我们看到的是每条路径中的单个台阶数据，请注意，我们为每条路径选择了相邻的台阶，因此它们并不重叠。

图4：高频路径和缓冲路径响应的差异

请注意，尽管缓冲路径的带宽仅为高频路径的一半，但其峰峰值噪声水平还更高一些。

我们可以观察到，缓冲路径的峰峰值噪声水平明显高于高频路径。高频路径的设计为尽可能小的噪声而优化，因此尽管其带宽是缓冲路径的两倍，仍能显示出较少的噪声。而为此性能付出的代价就是减少了可用的输入量程范围数量，并需要使用固定的50Ω终端负载。也因此，如果您选择的其他数字化仪只能提供缓冲路径，或与之等效的前端通道，那么您将被迫引入较高的噪声水平。

接下来，再来看这些波形的直方图（如图5所示），我们可以看到高频路径的平均值的分散度小于缓冲路径的分散度。这意味着高频路径的噪声或畸变更小。

图5：高频和缓冲信号路径的数据值直方图，其中高频路径分布较窄，说明噪声水平更低

而这种现象的度量参数是标准差。在这个例子中，高频路径的标准差为0.125 mV，而缓冲路径的标准差为0.183 mV。这为两个信号路径之间相同的输入信号的噪声水平差异提供了量化依据。当然，我们应当注意，这两个响应之中也包含有信号源和数字化仪本身的噪声成分。

高频信号完整性更高的优势，也可以通过数字化仪分别使用两个输入信号路径获取到的正弦波对应的频率谱中看出，如图6所示。在这里面，左右两个窗格对应的是两个输入路径获取的信号的快速傅立叶变换（FFT）结果。红色和蓝色光标分别标记了频谱峰和最高杂散峰的峰值。从中可得知高频路径的无杂散动态范围为80.9 dB，而缓冲路径为60.7 dB。此外，我们还可以发现，高频信号路径中的噪声基线更低一些。

图6：比较缓冲（左侧）和高频（右侧）路径的频谱

这里测得高频路径的无杂散动态范围为80.9 dB，而缓冲路径为60.7 dB。

二、改善信号完整性的小技巧

无论您选择哪种信号路径，都有一些通用的技巧可以帮助您获得最佳信号完整性。最重要的一点就是尽可能多地利用输入量程范围。如果信号具有稳定的幅度，则选择至少使用90％范围的输入量程。但同时，也应避免超过ADC量程的情况发生。一旦超过满量程范围，结果将是失真或削波，而这将产生我们不希望的谐波并且降低信号的完整性。

如果你选用的数字化仪有内置带通滤波器，可以考虑将其启用，来帮助降低噪声。在德思特数字化仪中，其前端模拟信号处理部分，有一个20 MHz低通滤波器，可以选择启用来限制数字化仪的带宽。如果输入信号在20 MHz以上没有有用内容，则可以使用滤波器减少20 MHz以上的噪声通过，以改善采集到的信号的信噪比。

三、内置校准

德思特推出的所有数字化仪通道在发货前均经过工厂校准。但由于板卡式数字化仪被集成到PC环境中，而PC的电源电压和内部温度可能会存在较大波动，因此这些板卡式数字化仪的软件驱动程序都提供了自动的板上自校准程序，校准对象包括偏置值和增益（缓冲信号路径），并且会针对所有输入量程范围。每张数字化仪板卡上都包含一个高精度的内置校准参考源。这是一个很棒的特性，可以帮助数字化仪在环境变化和本身老化的情况下保持校准状态。推荐的校准程序使用时机是在数字化仪持续运行了足够的时间，达到了稳定的运行温度后再进行校准，这个预热时间通常在10到15分钟。

END

德思特板卡式数字化仪的模拟通道前端提供了确保准确、可重复测量所需的各种必备功能和特性。多量程范围、交流/直流耦合、滤波和内置校准功能都有助于确保信号的最大完整性和准确性。我们坚信，一个设计良好的模拟前端将允许用户恰到好处地处理输入信号，并尽可能确保输入信号能覆盖核心ADC的量程范围，而又不会超限。只有这样，数字化仪才能实现最佳的测量准确性和精度。

关于德思特

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审核编辑 黄宇