非减性Dither与过采样技术在低频模拟采集系统中的应用 .pdfVIP

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