基于数模混合加扰和去扰的数据采集技术研究

发布时间：2020-09-08 13:45

　　 随着半导体制造工艺的快速发展,各种数据采集系统的集成度及转换精度越来越高,模数转换器(ADC)作为打通模拟世界和数字世界的桥梁,在数据采集系统中具有重要的地位,因此要求ADC要具备更高的转换性能。但是由于ADC本身固有的各种非理想因素,导致ADC性能指标受到制约。Dither(扰动)技术是一种外部数字校准算法,通过在ADC的输入端加入Dither信号,能够有效改善ADC量化输出信号频谱中的谐波,从而改善ADC的性能指标。本文从理论上分析了ADC量化误差来源及Dither技术的实现原理,在此基础上着重研究了Dither技术改善ADC性能指标的三个方面。其一,通过对加扰的ADC量化输出信号进行多次叠加取平均的方法,研究了加扰对ADC分辨率的影响,发现小幅度Dither加扰能够使ADC分辨率提高到1LSB以下。其二,分析了ADC量化误差和输入信号之间的具体关系,并在Simulink下搭建加扰的ADC仿真模型进行测试。仿真结果表明,Dither技术能够随机化量化误差和输入信号之间的相关性。其三,研究了Dither技术对ADC相干采样、量化误差、微分非线性三个方面导致的频谱谐波失真的改善,并在Simulink下搭建仿真系统进行测试,结果表明Dither技术能有效改善频谱的谐波失真,使8位的ADC频谱无杂散动态范围提高约8dB左右。本文对典型的大幅度宽带和大幅度窄带Dither加扰及去扰方案进行了设计,研究其对ADC无杂散动态范围的影响,并在Simulink仿真平台下进行了仿真。仿真结果表明,随着扰动信号幅度值的增加,两种加扰方案均能使ADC的SFDR指标呈现先增大后不变再减小的趋势。其中,大幅度窄带Dither加扰可以将ADC的SFDR提高约9.26dB,大幅度宽带Dither加扰可以将ADC的SFDR提高约7.09dB。之后,针对Dither的去扰进行了理论分析,并在仿真结果的验证下发现加扰之后进行去扰,并不会恶化信噪比。针对加扰信号幅值过大,加扰之后输入信号可能超出ADC量化量程的问题,提出了一种外部Dither幅度随输入信号自适应变化的方案,该方案将输入信号和高速比较器中设置的参考电压值相比较,输出flag电压控制信号,使Dither信号随着输入信号出现正负交替的自适应结果。经仿真测试表明该方案能够有效的将加扰的输入信号控制在ADC量化量程范围内,并且使大幅度窄带加扰的SFDR提高约10dB左右。本文实现了加扰的硬件验证,着重分析了传统大幅度窄带Dither信号硬件产生的缺点,提出一种基于窄带码表存储的窄带Dither结构,并在FPGA的软、硬件环境下完成大幅度窄带Dither信号的产生。通过模拟加法器将窄带Dither信号和输入正弦信号相加,实现加扰信号的数据采集。通过PC端对采集到的加扰数字信号进行谱分析发现,加扰能够有效改善频谱的谐波失真,使数据采集系统的无杂散动态范围提高了约6dB左右。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN792
【部分图文】：

二章 ADC 中 Dither 技术的应用绍了 ADC 工作原理，并在此基础上分析了 A了和本文相关的 ADC 性能指标，并对 ADC 静法分别进行了分析。然后对 Dither 技术原理、 Dither 技术改善 ADC 分辨率、量化误差、谐波述原理及量化误差分析 ADC 采样电路模型图，其中 f (t)为输入模拟过采样之后的输出信号。

图 2.7 ADC 的 SFDR 指标示意图DC 性能测试方法态性能指标和动态性能指标，对应着两种不同的测指标和量化之后的码字宽度有着密切的联系，ADC的变化而变化，是输入信号幅度及频率的函数，因此文研究的 Dither 技术对 ADC 静态性能指标和动态性测试方法进行加扰前、后的仿真对比分析。到 ADC 静态性能指标主要有微分非线性和积分非线之后的码字宽度都有着密切的联系。在实际应用中的概率密度有着密切的联系，理论上两者呈现正比度对应码字宽度。因此，对于任何与码字宽度相关的的方法。本文中 ADC 的静态性能指标微分非线性、切的联系，码字宽度又和码字宽度出现的概率成正比就可转换为研究码字出现的概率密度，通过对密

第二章 ADC 中 Dither 技术的应用的电压值不能够被分辨。外部 Dither 技术能够改善 ADC 的分辨率，使 1LSB 以下，但是该 Dither 信号必须满足小幅度，具体的实现如下。先将幅度值小于 1LSB 随机分布的小幅度 Dither 扰动信号和输入信号种可提高 ADC 转换器分辨率的结构。然后分别对未加扰和加扰的 A型进行搭建，分析对比加扰技术对 ADC 分辨率的改善效果。如图 2.1ab 中的 simulink 下搭建的未加入扰动的正弦信号量化过程仿真图：

【参考文献】

相关期刊论文 前8条

1 陈小猛;肖无云;艾宪芸;梁卫平;;采用Dither技术改善数字化多道性能的仿真研究[J];核电子学与探测技术;2015年07期

2 刘欣;熊兴中;杨平先;;Dithering对ADC量化误差影响的分析研究[J];电视技术;2014年13期

3 张永伟;;一种高速ADC动态性能参数测试的新方法[J];舰船电子对抗;2014年03期

4 张云;李广军;;一种适于引入Dither的流水线ADC结构[J];现代电子技术;2011年10期

5 陈静;侯媛彬;;Dither信号理论分析及仿真[J];电光与控制;2009年12期

6 Leon Melkonian;黄佑勇;魏国华;王忍;;利用dither技术改善A／D转换器性能[J];通信对抗;2005年01期

7 Tanja C.Hofner;高速模数转换器的INL和DNL特性测试[J];世界电子元器件;2001年04期

8 谭杰·霍夫纳;高速A/D转换器动态参数[J];电测与仪表;2001年03期

相关博士学位论文 前1条

1 郭连平;宽带信号频谱分析关键技术研究及系统实现[D];电子科技大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 蹇茂琛;时间交织ADC全数字校准算法的研究与设计[D];合肥工业大学;2017年

2 李金博;基于过零检测器的逐次逼近—流水线混合型ADC研究[D];西安电子科技大学;2016年

3 朱萌;基于ADC08100的动态数据处理理论研究与应用[D];西安电子科技大学;2015年

4 孙永强;基于数模混合加扰的数据采集技术[D];西安电子科技大学;2014年

5 周延青;基于BiCMOS工艺的8位250MHZ流水线ADC设计[D];西安电子科技大学;2014年

6 曾德军;发射机和接收机前端线性化技术研究[D];电子科技大学;2013年

7 徐文静;CMOS图像传感器列级ADC研究与设计[D];天津大学;2012年

8 赵元春;Dither技术在ADC中应用的研究及验证实现[D];电子科技大学;2012年

9 万若琦;外部宽带大幅度Dither技术在流水线ADC中的研究[D];电子科技大学;2012年

10 高培;基于多抽样率的分数阶Hilbert加密的研究[D];中国海洋大学;2011年

本文编号：2814246