軟件定義儀器的數字化前端和ADC 的等效分辨率

摘要： 為了給軟件定義儀器中的數字化前端的設計和選擇提供依據，提出了ADC 等效分辨率的概念。結合過采樣技術和香農限帶高斯白噪聲信道的容量公式推導出了等效分辨率的公式，并以測量心電信號為例，采樣速率為400SPS、ADC 參考電壓為2.5 V 時，選用等效分辨率為26 位的ADC。經實例證明，等效分辨率為ADC 的性能*估和軟件定義儀器中的數字化前端的選擇提供了一個重要參數，也為選擇軟件定義儀器提供了一個簡明的指標，有著一定的指導意義。

　　測試儀器在人類進步史上的作用不言而喻，其發展經歷了漫長的過程，傳統測試儀器結構簡單，功能單一，主要依靠手工測試，工作效率較低。伴隨著現代工業革命浪潮出現的現代測試儀器，集計算機軟硬件技術、通信技術、自動測試（ATE）技術于一身，大大提高了測試的速度和準確度，但這些儀器主要由硬件構成，其所有功能都在出廠前以硬件的形式固化下來，用戶很難對其功能做出改變，且儀器難以升級換代，開發研制周期長，經費投入大。文獻[5]提出的軟件定義儀器是一種基于SoC（System on Chip，單片系統）技術，盡可能用數字信號處理取代模擬信號處理和用戶可以方便定義與修改儀器功能的儀器，為新一代的儀器設計提出了新的思路。因此，這里提出一種軟件定義儀器，詳細介紹了該儀器的數字化前端和ADC 的等效分辨率。

　　1 軟件定義儀器

　　現代儀器一般都采用微處理器作為其核心控制器件，微處理器只能處理數字信號，而待測信號多為模擬信號。通常采用的方法是將被測信號模擬放大、濾波，使其信號的輸出動態范圍與參考電壓相適應， 以滿足所需要的分辨率，并抑制噪聲。在儀器儀表的研發中，模擬電路部分（傳感器接口電路＋放大濾波）和數字部分是最為重要的兩個部分，又是各個整機廠“各自”研發、投入最大、重復最多的兩個部分。軟件儀器的一般結構如圖1 所示。

　　為使被測量經過傳感器后直接進行A/D 轉換，再進行數字信號處理，就要求ADC 盡量靠近傳感器，使接收到的足夠幅度的模擬信號盡早地數字化，接下來的工作就是由軟件和數字化硬件實現儀器功能的定義與修改。可見軟件定義儀器是用A/D 轉換的高分辨率換取了信號的增益，而用采樣速度來換取A/D 轉換的分辨率，A/D 轉換的精度是儀器功能由軟件定義的基礎。

　　軟件定義儀器的理念會為儀器的研發和生產帶來極大的便利，免去了很多重復性工作，也給使用者以很大的靈活空間。軟件定義儀器的基礎是盡可能減少模擬電路。采用ADC 的分辨率換取模擬放大器的增益不僅可以降低成本、簡化電路、提高抗干擾性能和動態范圍，還能提高儀器的靈活性和精度。

　　在通信市場中，由于新的通信標準發展迅速，經常需要新的信號源和測量功能，所以帶來了很大的挑戰，為了跟上標準的發展速度，測試儀器供應商通過軟件定義無線電技術來縮短儀器開發時間。在軟件定義無線電技術中，ADC 的參數選擇中已經討論，而本文根據香農定理，結合過采樣技術，提出了針對所有市場測試儀器中軟件定義儀器的ADC 參數統一選擇的問題，即模數轉換器的等效分辨率的概念， 為軟件定義儀器的數字化前端設計和ADC 的選擇提供一個簡明的指標，從而為選擇ADC 帶來方便。

　　2 ADC 的等效分辨率

　　軟件定義儀器中的數字化前端可以有3 種途徑：1）采用數字化傳感器，將模擬信號直接轉化為數字信號傳入微處理器，這一點在文獻[5]中已經做了詳細的闡述，本文不做討論；2）可通過高分辨率的ADC，如Σ-Δ 型ADC，過采樣Σ-Δ 技術使之實現高達24 位高分辨率的A/D 轉換， 但由于這一技術的原理限制， 使得真正達到24 位分辨率時的轉換速度很低，這個缺陷使這一高精度高分辨率的模數轉換器只能用于低頻信號的測量；3）采用高速中分辨率的ADC，通過過采樣將速度轉化為精度，這種方法已廣泛用于通信領域，在測量領域上也開始引起注意，但現有文獻沒有提及如何選擇合適的模數轉換器。