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功率技術/新能源  

如何解決DAC和ADC響應下降問題

上網時間: 2012年10月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DAC  ADC  頻率響應  數位採樣  濾波器 

作者: Kendall Castor-Perry

首席架構設計師

Cypress半導體公司

你在繪製訊號處理系統的頻率響應曲線時,有沒有遇到意外下降的情況?你原本以為頻率響應會是平穩的(至少應該跟設計曲線差不多),但結果卻偏離了目標,讓你大失所望。如果是這種情況,那你就是遇到了sinc()頻率響應問題。你會說這是clo-sinc-ounter,不過也可能是其它問題。我們下面來看看具體情況。

此問題在採樣數據系統的輸入和輸出處均會出現。讓我們首先看看輸出。如果你希望採樣數據串流返回到類比系統,你可將數位採樣連接到數位類比轉換器(DAC)。現在,大多數DAC IC和模組均有‘保持’輸出,這就意味著當它們接收新的數位採樣時,輸出電壓會立即變為相應的新值並保持不變,直到下一個採樣到來為止。這種行為非常普遍,以至於許多工程師誤認為這就是規格,這些DAC的輸出電壓就準確代表著採樣串流(除了有些高頻雜訊以外)。

事實並非如此。‘保持’進程導致這種系統的頻率響應與在每個採樣時刻上輸出電壓僅極短暫顯示的系統情況不同。這種尖峰輸出電壓在實際應用中很不方便,因此你也很少遇到這種情況。

延伸每個採樣電壓去‘填充可用的空間’,這就形成零階保持的實例。這種系統的輸出頻譜等於理想的尖峰輸出系統乘以兩個採樣點之間矩形脈衝的頻譜,也就是說,寬度等於採樣間隔。這種矩形時間響應對應於具有sinc()特性的頻率響應。sinc(x)是sin(x)/x的縮寫,一個域的矩形和另一個域的sinc()之間有傅利葉鏡像對應,這不僅在訊號理論中甚至在整個實體學領域中均會隨處可見。

運算sinc函數的值,即變量x的值等於訊號頻率與採樣頻率的比值乘以pi,這說明在0.444乘以Fs的情況下下降了-3dB。圖1顯示了每秒1次採樣率情況下sinc()下降的頻率效應。請注意,在採樣頻率整倍數的位置會出現深而窄的V形缺口。


圖1:每秒1次採樣情況下的sinc()零階保持響應

圖2顯示了0.444Hz正弦波也就是每秒1次採樣的結果。採樣達到的峰值顯然是輸入電壓的峰值。但由於採樣時脈‘走’在訊號上方,有些區域的輸出電壓在相當長一段時間內均比較低。


圖2:A 0.444Hz正弦波採樣和保持,每秒1次採樣

我們的0.444Hz訊號還在,但強度降低了,因為有些能量進入了更高頻率的‘頻譜’,如圖3所示。你可以看到,輸入訊號的單個傅利葉組件比在輸出訊號0.444Hz組件的值要高3dB。


圖3:圖2中波形的頻譜

這裡要記住的是,採樣正弦波的峰峰值不是測量基頻所含能量的好方法。當你增加輸入頻率,輸出訊號中越來越多的能量駐留在更高頻率的影像組件中,這往往是我們要從乾淨的輸出訊號中過濾掉的東西,所以就有了下降問題。

請注意,適用於音訊市場的現代DAC不會出現這種問題。這是因為這種DAC不僅每次採樣更新一次並保持訊號,在轉換器內部,它的執行速度要更加速得多,可通過數位濾波技術讓產生的輸出在臨時檢查情況下看上去就跟沒有被採樣一樣。音訊DAC實現超平穩頻率響應非常簡單,因此工程師也往往會忘記老式採樣DAC不具備這種平滑響應的屬性。

這就解釋了系統的輸出部份。當我們在數位領域、尚未返回到類比領域分析數據時,有可能檢測到輸入路徑也會造成下降嗎?是的,有時會,下面讓我們看看在什麼情況下會檢測到下降。

如果你使用的是採樣類比數位轉換器(ADC),那麼答案通常是‘不用擔心’。這種ADC會在短暫的‘缺口’期內對輸入訊號拍攝快照。缺口期通常比採樣期短得多,因此對頻率響應的影響不太大。但是,如果你使用的是針對工業儀表應用的delta-sigma ADC,那麼或許會遇到比生活中的討價還價更嚴重得多的下降問題。(人們會不會為下降討價還價呢?這只是個比喻的說法吧。)

delsig ADC頻率響應下降的原因在於平均濾波器(用於平滑前端調變器的快速脈衝流)對於零階保持發出的快速脈衝流進行類比脈衝響應。事實上,在任何特定的頻率上有可能要有2到4倍響應下降的情況。這是因為所用的濾波器通常至少是2到4個平均濾波器的串聯。就CypressPSoC3和PSoC5元件所用的delsig ADC而言,ADC的抽樣濾波器有4階(涵蓋大部份範圍),因此響應為sinc^4()。在任意特定訊號頻率上,也就是有4倍的下降(單位為dB),如圖1所示。


圖4:PSoC3 ADC抽樣濾波器的sinc^4()響應

換言之,在0.443乘以Fs的情況下就是-12dB。這樣偏離於頻率平穩響應的情況固然對稱重類簡單應用不會產生什麼影響,但對於大多數音訊、通訊和振動測量系統來說,這就非常可怕了,而且還要考慮到向DAC提供反饋訊號後額外的下降。

不過這種響應效果也有好的方面。圖1顯示出sinc()響應在大約1.43乘以Fs的情況下僅反彈到約為-13.3dB,這提醒我們,簡單的平均器不是好的消除高頻變化的濾波方法。不過,如果你串聯起4個,設置為sinc^4(),那就會出現阻帶響應,僅反彈到大約-53dB,如圖4所示。這是一種相當有用的濾波方式,通常在沒有太多高頻干擾的情況下在時間域中完全足以實現精密測量了。

那麼,當你需要平穩頻率響應時,單獨或結合使用保持DAC、儀表delsig ADC,你該怎麼做呢?你應該想到,這裡提出的解決方案是應該採用一個濾波器,結果不會讓你失望的。





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