A/D變換器對頻譜儀和信號分析儀動態范圍的影響

摘要： 在現代頻譜儀和信號分析儀中，隨著數字信號處理技術的廣泛采用，高速A/D轉換器(ADC)的應用及其性能越來越受到關注，因為它的性能直接影響頻譜儀和信號分析儀的精度，尤其是ADC的動態性能，包括信噪比和有效位數。ADC的動態范圍性能可以通過其位數(N)和采樣頻率(fs)計算出理論值，同時也可以通過實際測試獲得頻譜儀和信號分析儀的所選數字處理通道A/D處理的實際動態指標。是否ADC的位數越高意味著分析動態范圍越大呢？結果并非如此。要注意，在評價兩種儀表時，要采用同等條件和一致的指標定義方法，僅僅關注ADC的位數是錯誤的，應當關注其有效位數、信號和分析帶寬、采樣頻率和信噪比。

ADC動態指標

信噪比
對于理想的ADC來說，在奈奎斯特帶寬內的量化誤差為一白噪聲隨機信號，其量化方差。其中q=2^-N為A/D變換器的量化間距，N為A/D字長N位。
量化噪聲的信噪比為：
SNR=6.02N+1.76+101g(f_s/2B)   (1)

式中，N是ADC的位數，f_s是采樣頻率，Ｂ是模擬輸入信號的帶寬。上式右邊第三項表示增加采樣頻率(過采樣)可提高信噪比。

有效位數
實際上ＡＤＣ的誤差表現為靜態及動態非線性誤差，并且動態誤差隨輸入信號壓擺率的增加而變大。因此實際測量的信噪比要比理論上的小一些。計算有效位數(ENOB)可以從對方程(1)的N求解得到。
ENOB(N)=[SNR-1.76-101g(f_s/2B)]/6.02   (2)

圖1

圖2

頻譜儀和信號分析儀內部的ADC指標評估

ADC動態所影響的信號分析儀指標
典型的頻譜儀電路框圖如圖1所示。其中ADC處于中頻信號之后，對中頻(或視頻)信號進行采樣和轉換。ADC的性能影響到頻譜儀的噪聲和信噪比等指標，還影響到頻譜儀的失真指標，包括諧波、雜散和互調失真。

對于現代信號分析儀來說，中頻和視頻信號的處理基本采用數字技術和矢量分析(IQ分析)技術。因此，DAC所造成的影響就顯得十分重要。

舉例分析ADC動態所影響的信號分析儀指標
以羅德與施瓦茨公司FSQ為例，對于A/D轉換和數據分析部分進一步分析，框圖如圖2。