在上期文章如何正確使用數(shù)字化儀前端信號調理？（一）中，我們?yōu)榇蠹医榻B了數(shù)字化儀前端電路所需的特性以及使用過程中需要的輸入抗阻和輸入耦合，本期文章將為您介紹數(shù)字化儀前端信號調理的使用過程中所需的輸入電壓范圍，與您分享一些改善信號完整性的小技巧以及數(shù)字化儀的內置校準功能。

一、輸入電壓范圍

數(shù)字化儀內部的核心ADC通常具有固定的輸入量程。最簡單的直連接口同樣也只能提供一個固定量程，該量程與ADC的輸入量程匹配。這種方式雖然簡單，但在測量儀器中并不實用，除非這單一的量程恰好是用戶需要使用的量程。而如果要將輸入信號幅值調整到ADC的量程范圍內，就需要有一個衰減器或放大器。

1.衰減器

其中衰減器是一種簡單的電壓分壓器，通常為阻性分壓，可以降低輸入信號的幅值。當使用優(yōu)質元件設計和制作時，通常不會顯著降低信號的完整性。當衰減器在插入到信號路徑中時，會出現(xiàn)的一個問題是，儀器內部噪聲幅值等效到衰減前的強度會隨著前端衰減比的變化而變化。比如，如果原本一個具有58 μV RMS噪聲水平的數(shù)字化儀，在添加一個 10:1 的衰減器后，噪聲水平相等效到輸入端則是580 μV。也就是說，在增加衰減后，噪聲水平相對于新的全量程范圍仍然有相同的百分比比例。

2.放大器

放大器則是另一回事。即使具有正確設計，它們通常也會將額外的噪聲引入信號路徑，但同時，放大器的增益又會降低內部噪聲等效到輸入端的幅值，這種現(xiàn)象在某種程度上說也是一種對精度的補償。放大器還可能引入失真，而進一步降低信號完整性。放大器的另一個限制是它們具有固定的增益帶寬積。如果您希望增加它們的增益，則帶寬必然會相應地降低。您還可以在高靈敏度范圍參數(shù)中看到這一點，該參數(shù)對應的帶寬也會被降低。

輸入電壓范圍的選擇是數(shù)字化儀設計中的關鍵課題，因為它會對信號的完整性產(chǎn)生重大影響。但同時，它也為用戶提供了更大的靈活性，使用戶可以根據(jù)可用的信號幅度更好地匹配ADC輸入范圍。數(shù)字化儀制造商提供了各種處理這種權衡的方法。通常，他們會從提供單一固定輸入范圍開始，然后逐漸將設計工作服務對象從ADC制造商轉移到關注應用所需正確量程范圍的最終用戶，最終提供多種輸入路徑。多個輸入路徑配合帶緩沖路徑，提供了最大的輸入范圍和終端負載的靈活性，此外50Ω高頻（HF）路徑，則通過提供較少的輸入范圍和固定的50Ω負載電阻，提供了最高的帶寬和最佳的信號完整性。

圖3所示的結構框圖展示了德思特TS-M4i系列板卡式數(shù)字化儀的模擬輸入通道前端架構，該前端部分包括兩個輸入路徑。

圖3：德思特TS-M4i數(shù)字化儀的前端架構框圖，其中含有全功能前端所需的各種元素，包括雙輸入路徑、耦合、終端阻抗、濾波和內部校準源

在我們的設計中，高頻路徑為提供盡量大的帶寬和盡量好的信號保真度而優(yōu)化。而緩沖路徑則通過提供更多的、范圍更廣的量程選擇，為用戶提供更大的靈活性。用戶可以根據(jù)實際測量需求選擇最佳的輸入路徑。

表1展示了14位、500 MS/s數(shù)字化儀（TS-M4i.445x型號）中兩種路徑的參數(shù)比較。

表1：14位、500 MS/s數(shù)字化儀中高頻路徑和緩沖路徑的特性比較

圖4提供了對數(shù)字化儀500 mV量程檔上256級臺階波形的高頻和緩沖路徑響應對比。在這張圖中，我們看到的是每條路徑中的單個臺階數(shù)據(jù)，請注意，我們?yōu)槊織l路徑選擇了相鄰的臺階，因此它們并不重疊。

圖4：高頻路徑和緩沖路徑響應的差異

請注意，盡管緩沖路徑的帶寬僅為高頻路徑的一半，但其峰峰值噪聲水平還更高一些。

我們可以觀察到，緩沖路徑的峰峰值噪聲水平明顯高于高頻路徑。高頻路徑的設計為盡可能小的噪聲而優(yōu)化，因此盡管其帶寬是緩沖路徑的兩倍，仍能顯示出較少的噪聲。而為此性能付出的代價就是減少了可用的輸入量程范圍數(shù)量，并需要使用固定的50Ω終端負載。也因此，如果您選擇的其他數(shù)字化儀只能提供緩沖路徑，或與之等效的前端通道，那么您將被迫引入較高的噪聲水平。

接下來，再來看這些波形的直方圖（如圖5所示），我們可以看到高頻路徑的平均值的分散度小于緩沖路徑的分散度。這意味著高頻路徑的噪聲或畸變更小。

圖5：高頻和緩沖信號路徑的數(shù)據(jù)值直方圖，其中高頻路徑分布較窄，說明噪聲水平更低

而這種現(xiàn)象的度量參數(shù)是標準差。在這個例子中，高頻路徑的標準差為0.125 mV，而緩沖路徑的標準差為0.183 mV。這為兩個信號路徑之間相同的輸入信號的噪聲水平差異提供了量化依據(jù)。當然，我們應當注意，這兩個響應之中也包含有信號源和數(shù)字化儀本身的噪聲成分。

高頻信號完整性更高的優(yōu)勢，也可以通過數(shù)字化儀分別使用兩個輸入信號路徑獲取到的正弦波對應的頻率譜中看出，如圖6所示。在這里面，左右兩個窗格對應的是兩個輸入路徑獲取的信號的快速傅立葉變換（FFT）結果。紅色和藍色光標分別標記了頻譜峰和最高雜散峰的峰值。從中可得知高頻路徑的無雜散動態(tài)范圍為80.9 dB，而緩沖路徑為60.7 dB。此外，我們還可以發(fā)現(xiàn)，高頻信號路徑中的噪聲基線更低一些。

圖6：比較緩沖（左側）和高頻（右側）路徑的頻譜

這里測得高頻路徑的無雜散動態(tài)范圍為80.9 dB，而緩沖路徑為60.7 dB。

二、改善信號完整性的小技巧

無論您選擇哪種信號路徑，都有一些通用的技巧可以幫助您獲得最佳信號完整性。最重要的一點就是盡可能多地利用輸入量程范圍。如果信號具有穩(wěn)定的幅度，則選擇至少使用90％范圍的輸入量程。但同時，也應避免超過ADC量程的情況發(fā)生。一旦超過滿量程范圍，結果將是失真或削波，而這將產(chǎn)生我們不希望的諧波并且降低信號的完整性。

如果你選用的數(shù)字化儀有內置帶通濾波器，可以考慮將其啟用，來幫助降低噪聲。在德思特數(shù)字化儀中，其前端模擬信號處理部分，有一個20 MHz低通濾波器，可以選擇啟用來限制數(shù)字化儀的帶寬。如果輸入信號在20 MHz以上沒有有用內容，則可以使用濾波器減少20 MHz以上的噪聲通過，以改善采集到的信號的信噪比。

三、內置校準

德思特推出的所有數(shù)字化儀通道在發(fā)貨前均經(jīng)過工廠校準。但由于板卡式數(shù)字化儀被集成到PC環(huán)境中，而PC的電源電壓和內部溫度可能會存在較大波動，因此這些板卡式數(shù)字化儀的軟件驅動程序都提供了自動的板上自校準程序，校準對象包括偏置值和增益（緩沖信號路徑），并且會針對所有輸入量程范圍。每張數(shù)字化儀板卡上都包含一個高精度的內置校準參考源。這是一個很棒的特性，可以幫助數(shù)字化儀在環(huán)境變化和本身老化的情況下保持校準狀態(tài)。推薦的校準程序使用時機是在數(shù)字化儀持續(xù)運行了足夠的時間，達到了穩(wěn)定的運行溫度后再進行校準，這個預熱時間通常在10到15分鐘。

END

德思特板卡式數(shù)字化儀的模擬通道前端提供了確保準確、可重復測量所需的各種必備功能和特性。多量程范圍、交流/直流耦合、濾波和內置校準功能都有助于確保信號的最大完整性和準確性。我們堅信，一個設計良好的模擬前端將允許用戶恰到好處地處理輸入信號，并盡可能確保輸入信號能覆蓋核心ADC的量程范圍，而又不會超限。只有這樣，數(shù)字化儀才能實現(xiàn)最佳的測量準確性和精度。

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審核編輯 黃宇