在对ADC（模拟数字转换器）进行性能参数评估时，需要用正弦波做为ADC的测试信号。为了正确评估出ADC的真实性能，此正弦波信号的信噪比（SNR）、总谐波失真（THD）等指标均需优于被测ADC。普通的信号发生器一般基于DDS（直接数字频率合成）技术实现，通常可以满足12位分辨率以下 ADC的评估，但由于THD和SNR等指标的限制，往往无法用于高分辨率ADC的评估。本文基于ADI公司的高性能器件，设计了一种新型低谐波失真、高频谱纯度的正弦波信号源以满足16位高分辨率ADC的评估需求。

引言

ADC（模拟数字转换器）是把模拟量转换为数字量的器件，其关键性能指标包括：积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）、信噪比（SNR）、总谐波失真（THD）、无杂散动态范围（SFDR）等。在对ADC进行测试和评估时，需要把正弦波作为测试信号源输入给ADC，对ADC输出的数据进行傅立叶变换（FFT） 等数学分析，进而得到ADC的各项性能指标。

但如果信号源中带有谐波和噪声，那同样也会被ADC转换为数据输出，此时测试ADC得到的结果实际上已被输入信号源的指标所降低。因此在对ADC评估，特别是高分辨率ADC的评估时，信号源的性能指标是一个关键性的因素，其指标必需高于被测ADC，否则将会影响ADC性能的评估结果。

传统解决方案

信号发生器是常见的信号源，广泛应用于电子电路的测试测量中。目前普通的信号发生器一般都是基于直接数字频率合成DDS（Direct Digital Frequency Synthesis） 技术实现的数控信号源，可以在较宽的频带内输出波形质量好、频率精度和稳定性高的正弦波、方波和三角波。

但当前多数信号发生器所采用DDS器件的垂直分辨率一般在12~14位左右，其输出正弦波信号的总谐波失真（THD）指标 一般只有-75dB~-85dB左右，通常只能用来评估12位分辨率以下的ADC。对于分辨率为16位的高精度ADC，其THD指标通常优于-100dB，SNR也在90dB左右，因此常用的DDS型信号发生器所产生的正弦波无法直接用于高分辨率ADC的评估。

为了得到高信噪比、低谐波失真、高频谱纯度的正弦波信号源，需要对信号发生器输出的正弦波进行带通滤波。可以选用截止频率特性陡峭的带通滤波器，仅使得中心频点的信号通过，滤除带外的噪声和谐波以提高正弦波信号的THD和SNR指标，此类方案的实现如图1所示。但此方案需要价格昂贵的带通滤波器，而且针对每一个测试频点都需要购置对应的带通滤波器，应用中起来不够灵活，存在诸多不方便。对于较低频信号而言，可能还需要用价格昂贵的晶体滤波器。

本文解决方案

本文中选用ADI公司的高性能DAC（数字模拟转换器）和Blackfin系列DSP（数字信号处理器），较好的解决了相关的技术关键，设计制作出低谐波失真、高频谱纯度的正弦波信号源，而且此信号源完全可以满足16位 ADC的性能评估需求。

设计中首先要选择高性能的DAC。AD5791是一款单通道、20位分辨率、电压输出型DAC，具有1LSB（最低有效位）的积分非线性（INL）和微分非线性（DNL），是业界首款单芯片1ppm 精度的数模转换器。AD5791采用精密电压模式R-2R架构，利用了最新的薄膜电阻匹配技术，并通过片内校准来实现了高精度。AD5791的内部架构如图2所示。


图1 带通滤波器实现的低谐波失真信号源

图2 AD5791内部架构

除了高性能的DAC之外，系统中还需要高性能的数字信号处理器DSP。 ADI的 Blackfin系列DSP将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起，这种独特的汇聚式架构非常符合数据处理、各种高性能算法（如谐波分析）等功能的软件实现。设计中选用Blackfin系列中的BF518F，其具有400MHz的主频，完全满足各种数据处理的需要，同时具有高达33MHz的外设SPORT口，可以方便与AD5791对接，实现高速率的数据传输。BF518F的内部架构如图3所示。


波形的生成是借助DAC的输出保持去实现。但由于DAC的输出不是一系列的零宽度脉冲，而是一系列的矩形脉冲，其宽度等于更新速率的倒数，此时在DAC的输出信号中就会有理想输出信号的高频镜像频点。假设DAC的采样时钟为fc，生成的正弦波频率为fout，那在DAC输出信号的频谱中，将会在fc±fout，2*fc± fout，……等多个频点处产生fout的镜像频点，在滤波前，镜像频点的幅值由Sin(x)/x（或Sinc）的响应特性所决定，随着频率的增加而变小。DAC输出信号的频谱如图4所示。

输出频谱镜像是由于DAC的输出特性所致，在DSP的程序中是无法通过数字处理来消除的，因此在DAC的输出信号后端需要使用模拟低通滤波器，把期望频率的频谱镜像衰减至噪声水平以下。滤波器的设计，需要根据DAC的采样时钟fc、生成正弦波的频率fout、谐波指标等，借助于ADI网站上的免费工具——Analog Filter Wizard——可以方便快捷地完成设计。

根据上述选定的器件，在完成相关模块的设计之后，低谐波失真、高频谱纯度正弦波信号源的架构如图5所示。


图3 BF518的内部架构

图4 DAC输出信号的频谱图

图5 低谐波失真、高频谱纯度正弦波信号源架构

在高精度的电路设计中，还应注意在PCB上的模拟电路与数字电路必须分开布局，并放置在不同的区域内，避免数字信号与模拟信号交叉。在电源的设计上，需要精心考虑电源设计和接地回路，采用良好的退耦通路，比如在每个电源引脚上采用10µF与0.1µF并联，并且尽可能靠近器件放置。

在DSP的程序中，BF518通过UART串口与运行在PC计算机上的用户界面通讯，接收用户的各项设置信息：如输出信号频率、幅值、共模电平等。BF518的程序中根据用户的设置，计算生成相对应的数组，然后通过高速SPORT口输出给AD5791产成正弦波信号。示例代码如下所示。

#define ARRAY_SIZE size

#define AMPLITUDE sine_amplitude

int Sine_Data[ARRAY_ SIZE];

void Sine_Data_Generate ()

{

int i;

double x;

for ( i=0; i< ARRAY_ SIZE; i++ )

{

x = 2.0 * 3.14159 * i / ARRAY_ SIZE;

Sine_Data[i] = AMPLITUDE * sin(x);

}

}

编写运行在PC计算机上的程序，为用户提供友好的界面，方便快捷改变信号源的频率、幅值等参数。本文所述的信号源，除了可以输出低谐波失真、高频谱纯度的正弦波信号，也可以输出高精度的直流信号。信号源的用户设置界面如图6所示。

验证

设计完成后，选用 Audio Precision AP2722对输出的正弦波信号指标进行评估。AP2700系列由全球最大的音频测试仪器制造商美国Audio Precision公司生产，是目前音频业界认可的的标准音频分析仪，也是Dolby、DTS、Microsoft DTM认证所指定音频分析仪。AP2722具有 2通道的模拟/数字输入，带音频分析功能，也是杜比公司测试Digital Dolby/AC-3的标准型号。

AP2722的测试结果中包含THD和THD+N（总谐波失真加噪声）指标。THD+N定义为所有谐波分量与噪声电平的和与基准输出电平之比。THD+N和THD在计算时皆包含了2~15次谐波。对于SNR指标，可以根据THD和TND+N，根据下面的公式算出：

图7是将正弦波信号源设置输出信号峰峰值±4.98V，频率在50Hz时用AP2722测试的频谱图。此时测量的结果，THD为-110dB，THD+N为-100dB。


图6 信号源的用户界面

图7 AP2722测试频谱图

用于16位分辨率ADC 的评估

AD7606是ADI公司在2010年推出的一款16位同步采样8ch模数数据采集系统（DAS），所有的通道均能以高达200ksps的速率进行转换。AD7606为下一代电力线监控系统设计提供了所需的分辨率和性能，其信噪比（SNR）的典型值为89dB，最小值为87.5dB，如果开启过采样功能，SNR更可高达97dB。其总谐波失真（THD）的典型值为-107dB。

拥有本文所述的低谐波失真、高频谱纯度的正弦波信号源后，就可以对AD7606进行评估。将正弦波信号源的输出连接到AD7606的任意一个通道，设置相关的参数，借助AD7606的评估板图形界面，就可以方便直观地看到SNR、THD等性能指标。图8是在输入信号为50Hz，AD7606设置为±5V量程、10Ksps采样率、8192点FFT计算时所得到的结果。可以看到，此时AD7606的SNR为88.39dB，THD为-107.21dB，完全达到了器件数据手册中给出的指标。因此，本低谐波失真、高频谱纯度的正弦波信号源可以完全满足对16位分辨率ADC 的评估需求。