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非减性Dither与过采样技术在低频模拟采集系统中的应用
逯宏超;赵冬青;储成群;焦新泉
【摘要】Dither技术是提高多通道模拟采集系统动态性能的有效方法.通过分析
Dither技术改善采集系统无杂散动态范围(SFDR)的原理,搭建了多通道模拟采集系
统测试平台,通过FPGA控制A/DC对输入的满量程正弦信号采样,利用过采样和均
值滤波技术来提高采集精度.实验结果表明:采集系统的动态性能明显改善,SFDR从
71dB提高到78dB,SNR下降了1.2dB.
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2019(038)002
【总页数】4页(P95-98)
【关键词】Dither方法;过采样;均值滤波;杂散动态范围;信噪比
【作者】逯宏超;赵冬青;储成群;焦新泉
【作者单位】中北大学仪器与电子学院,太原030051;中北大学仪器与电子学院,
太原030051;中北大学仪器与电子学院,太原030051;中北大学仪器与电子学院,
太原030051
【正文语种】中文
【中图分类】TN702
0引言
多通道模拟采集电路的动态性能是关乎采集系统设计的可靠保证。目前高分辨率的
SARA/DC和双积分型A/DC可以提供高分辨率和低噪声。由于采集系统中DC-
DC电源辐射、多路模拟输入信号的耦合干扰以及模拟开关通道切换等一些固定频
率干扰,很难实现技术手册上的额定信噪比(Signal-NoiseRatio,SNR),而要达到
最佳的无杂散动态范围(SpuriousFreeDynamicRange,SFDR),也就是在系统信号
链中实现干净的底噪,那就更加困难了。所以改善模数转换器的动态性能,提高模
数转换器的采集精度是构建整个采集系统的关键一环。本文提供了以AD7667为
核心的采集系统方案,并对该方案的关键技术进行了分析,给出了实现方案和处理
策略。
1Dither算法原理
由于A/DC的精度的限制,数据量化的精度不能无穷大,这就意味着系统输入信
号会由于A/DC量化的饱和而截尾,从而产生不可避免的量化误差[1]。当输入非
常小的信号(幅度小于1LSB)时,信号就会因为量化精度不够而丢失。从图1中可
以看出,对于幅度小于1LSB的信号输出有两种可能的结果,图1(a)中A/DC的量
化输出是一个矩形方波,而图1(b)中量化是一条直线显然这不是想要得到的结果,
而且统计平均技术对于这种失真无法恢复。图1(c)、(d)是加入小幅度Dither后量
化的结果,明显看出量化后的效果显著改善。
图1小幅度信号量化结果
假设A/DC量化的输入为p(x),则量化后的信号为q(x),那么量化后的误差:
w(x)=p(x)-q(x)
(1)
量化步长用Δ表示,当输入信号为斜坡信号时,量化误差在±Δ/2内均匀分布,但
当输入信号为正弦信号时,p(x)是输入的确定性信号,且由于正弦信号的周期性,
量化误差也周期性分布,其周期与输入信号周期相同。对量化误差函数进行傅里叶
变换得到
(2)
式中,ω0=2π/Δ。量化误差的频谱分布如图2中所示,量化误差的频谱分布并不
是均匀分布,而由于其具有与输入信号相同的周期性,从而产生谐波,且随着频率
的提高,谐波分量逐渐降低。当Dither满足一定条件时,量化系统总误差和系统
输入信号统计独立,特别的,带有均匀独立分布Dither的量化系统产生的总误差
信号,独立于输入信号且均匀分布,这减小了理想量化误差于输入信号之间的相关
性和量化误差引起的谐波[2-4]。
2非减性Dither对采集系统的影响
根据采集系统输出端对所加Dither信号的处理方式可将其分为减性Dither量化系
统和非减性Dither量
图2量化误差频谱简图
化系统。减性Dither量化系统需要在采集系统量化的输出添加数字减法器来除去
输入的Dither信号,引入对象通常是大幅度Dither;减性结构在数学理论分析中
比较占优势,但是如何精确的除去Dither编码序列又不引入额外误差使其在实际
应用中的实现难度很大。非减性Dither系统则无需去除Dither信号,也就注定了
引入对象必须是小幅度Dither信号。虽然已有数学理论推导证明非减性Dither结
构不能使总的误差与输入信号独立,但是可以使得误差信号的任意统计矩与输入信
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