[原创] Analog Discovery 2 测评(5) 采集系统硬件分析

cruelfox 2019-11-30 21:14 楼主

　　上一篇帖子 Analog Discovery 2 测评(4) 时域测试也可玩花样主要展示了Analog Discovery 2作为“虚拟示波器”的用法，它的软件可以在看波形同时看 X-Y 视图、FFT分析等，具有高级示波器的功能。

　　不论是虚拟示波器还是网络分析仪，都需要采样率足够快的模拟/数字转换器（ADC）用于采集信号。ADC最基本的规格包括采样率（每秒多少次采样）和量化位数（转换出来的数字值位数）两个。采样率越高，能捕捉的信号的频率越高；量化位数越高，信号在电压尺度上能分辨得越精细。例如电子秤用的ADC，成本低却可以做到24-bit量化位数，能分辨微弱的电压变化，但只能用于缓慢变化的信号。又例如最普遍的数字示波器用的ADC，采样率达到1G/s, 但量化仅为8-bit（相当于一把尺子刻度只有256个）。又例如单片机内置的ADC，采样率常见的有几万次每秒到几百万次每秒，量化位数是10-bit或12-bit. 根据 Nyquist 定理，要采样后能重建一个信号，至少需要采样率大于信号频率的两倍。作为一个采集仪器，选择什么ADC首先就限定了可用的频率范围。

　　Analog Discovery 2 使用的ADC是ADI AD9648，这是一片双路12-bit, 105Msps或125Msps的低功耗ADC.

　　Analog Discovery 2 将它用在固定的100Msps, 与DAC的转换时钟同步。这意味着Analog Discovery 2可以处理最大接近50MHz的模拟信号，不过这仅是理论上的，还要考虑其它制约。ADC本身的14-bit量化相当于16384个刻度（模拟信号采成数字信号以后就等于是一个个台阶了），如果满量程是2V的话刻度就是0.122mV. 作为对比，请考虑到常用的数字示波器只有8-bit量化，在满量程2V下刻度是7.8mV.（功能相似的ADALM2000, 采用的是ADI AD9963作为ADC，量化位数为12-bit，若在2V满量程下刻度是0.488mV，比Analog Discovery 2“粗糙”了４倍，但毕竟价格上便宜了很多。）

　　这说的仅仅是ADC的极限性能。现实中的ADC并不是理想的，主要表现在非线性（好比一把尺子每个格子的大小不完全一样）和噪声（哪怕输入是恒定电压，转换得到的值也有波动）两方面。那么AD9648的性能呢？上图中的两行写明了：

　　SNR = 74.5 dBFS @70MHz

　　SFDR = 91 dBc @70MHz
　　这是两个关键指标，ADC的性能如何也就看这里了。14-bit采样系统的信噪比极限是86dB，74.5dB说明AD9648的综合噪声大约是量化噪声的4倍。SFDR则暗示了用于谱分析的时候，谐波成分幅度超过多少以上才是可信的。这里的两个指标若拿来和当今音频主流用的ADC对比会显得很差，但是这是100MHz的ADC，不可相提并论。我查了几款规格相似的ADC的数据表，AD9648的性能一点都不弱。

　　到这里为止谈的也还只是ADC，而个仪器的模拟输入性能还要受到前端放大电路、时钟电路、电源等部分的影响。哪怕ADC芯片SNR最高有74.5dBFS，实际模拟信号进来到转换成数字信号多少也会被增加一些噪声。在Analog Discovery 2的手册中，并没有标示SNR这个指标。

　　既然我已经有了它，简单测一下不难。我没有高级信号发生器，就把模拟输入短路测下噪声吧。

　　用软件的Scope模式观察输入，可见量化后的数字信号是岁机跳动的。这个捕捉范围电压量程是-2.5V到2.5V，每格0.305mV, 噪声的跨度（信号波动范围）大约是4mV. 若要追求“无抖动”的测量，且只采样一次的话，那么整体的精度大概就是千分之一了（相当于有效分辨率10-bit）——可是拿100Msps的系统来就采一次，谁会这么用呢。

　　还得看信噪比。用软件的测量功能，读得噪声电压(rms值)是大约0.9mV，推算信噪比为 65.9dB (假定输入满幅正弦信号时噪声不会再增加)。这是系统输入的极限信噪比，比ADC的性能明显又下降了不少，我觉得这是一个遗憾。

　　我没有经验能力DIY这样的模拟前端放大电路，不知道它的难度有多大，所以不评论这个指标处于什么水平。下面就依照参考手册来看看模拟输入电路吧。Analog Discovery 2和ADALM2000的这部分电路几乎是一样的，尽管后者用的ADC性能要弱。

　　先说说电路结构：从排针处的 1+/1- 以及 2+/2- 两组差分模拟输入进来，各自分别经过电阻衰减网络、量程切换开关、电压缓冲、差分放大和差分驱动，进入ADC的输入。Analog Discovery 2的输入有两个量程：+/-2.5V 和 +/-25V，具有一定范围的输入保护（作为一般实验的保护也够用了），差分输入使得它的测量不需要用GND作为参考，不像示波器的探头夹子只能夹GND.

　　根据手册，输入直接接电阻分压，电容起阻抗补偿作用：

　　分压是三个电阻串联，两个抽头分别是 0.2115、0.0192 电压比例，对应5V、50V两个电压量程。两个量程通过后面的模拟开关ADG612进行切换，由软件可以控制。这个简易的输入电路决定了输入阻抗（大约1M欧，24pF），虽然大电阻衰减会劣化信噪比，也起到了限制输入电流保护后面电路的作用。

　　其后的电压缓冲级由AD8066运放构成：

　　运放输入端和反馈端均使用了补偿网络。这里分别对两个输入端进行缓冲，以驱动后面的差分放大级。因为输入的电阻衰减网络阻抗大，必须有这个缓冲级才能连接后面的电路。

　　差分放大、驱动级由全差分运放ADA4940-2构成：

　　上面这个单元电路图中，上一个运放(IC2B)对输入信号以及VREF, VOFF一起进行加减运算，差分输出至ADC. 由缓冲级过来的信号在这里稍有所增益(3.9k/2.2k，5dB)，VREF与VOFF两路（直流）电压被一起加到信号上，起到调节输入直流电压范围的作用。其中VREF是固定电压，VOFF是两个模拟输入通道独立的可调直流电压，由下图中DAC产生。

　　另外，上图中IC2A输出的是固定的电压，通过四个二极管接到ADC输入端，与IC2B输出端串的电阻一起，起到限压保护的作用。

　　最后一个图是ADC部分，使用电阻将1.2V基准电压分压缓冲得到1.0V作为基准。

　　按照信号路径，在小量程挡，从最外边输入端到ADC端的电压增益为 0.3749, 换算输入量程为 +/-2.667V 差分电压。Analog Discovery 2的 +/-2.5V 挡位是留了一点余量的，可以检测到电压超出量程范围，还给软件校准留了余地。在大量程挡，电压增益为 0.0341, 换算输入范围为 +/- 29.33V 差分电压。

　　尽管用动态范围上占优，Analog Discovery 2和数字示波器的量程数量比，这两个量程实在是少了。考虑到它的体积那么小巧，做复杂的模拟前端有代价，就原谅了吧。反正，嫌两个基本量程不够用还可以自己外加放大电路扩展（自己DIY未必能把带宽做到同样好，也得小心设计）。

　　但是电路信噪比的限制就这样了，远不够完美。外加放大电路能观察更小的信号，但也是相当于换档了。

　　ADC过后的数字信号，就交给FPGA处理了。因为板子上没有另外的RAM，只靠FPGA内部Block RAM的存储空间不大，于是连续采集模拟信号的长度受限，最大配置是16k，仅仅相当于低端数字示波器的存储深度。为什么不能使用PC的大容量内存呢——是因为USB连接带宽不够，无法将100Msps 14-bit的采样数据实时传到PC. 倘若能像Digital Discovery那样外扩一片DDR DRAM就好了，也许未来升级版本硬件会有。

　　同样由于自身存储能力的限制，FFT分析的点数也受到限制了，因为必须对连续一块采样数据做运算。

　　最后再说一下过采样时的使用。当不需要100Msps速率的时候，可以降低采样率换取更长的采集时间（总采样数不变）。这时候有两个选择：直接抽取(decimate)和平均(average)，也就是采样频率变为 100MHz 的 1/N 时如何处理。

　　熟悉数字信号处理的都应该知道，降采样要避免混叠，是需要先一个低通滤波器将信号处理一下的。但是经过我的试验发现，Decimate这个选项就是直接每N个采样中丢掉其它N-1个，没有用滤波器处理。FPGA上要实现任意1/N带宽的LPF也不是容易的事情……　那么Average选项呢，相当于就是过了个一阶的CIC滤波器，从我对噪声的比较可以看出来采样率降了以后的确噪声是在降低的（整个系统的带宽下降了），但是没有达到理想的降低程度。原因——我怀疑这个Average运算过程中又加进来舍入误差了，且从硬件传至PC的数据仍然只有14-bit（从波形图的台阶形状可以断定）。