Методы уменьшения фазового шума

Джиттер, или шум тактового сигнала, влияет на работу преобразователя только пока сигнал не установился. Чем круче фронт тактового сигнала, тем меньше время нарастания, и тем меньше влияние шума. Так, для 12-разрядного АЦП для получения среднеквадратичного шумового напряжения 100 фс при частоте входного сигнала 70 МГц скорость нарастания должна составлять 1 В/нс.

Таким образом, уменьшить джиттер можно за счет увеличение скорости нарастания тактового импульса. Добиться этого можно несколькими способами. Во-первых, использовать более качественный генератор тактового сигнала. Обычно применяется заказной тактовый генератор, однако он имеет высокую стоимость и занимает много места.

При выборе готового генератора следует иметь в виду, что производители пользуются различными методиками измерения шума. Выбрать наиболее подходящую модель можно только опытным путем, примеряя различные варианты в конкретных условиях.

Другой способ – связаться с производителем и запросить интересующие параметры и получить рекомендации по подключению устройства. Неправильное включение генератора может привести к сокращению свободного от шума динамического диапазона АЦП.

Альтернативными способами избавления от джиттера тактового сигнала являются фильтрация, деление частоты и тщательный подбор аппаратной схемы. Скорость нарастания тактового сигнала является исходным параметром для определения максимально допустимого уровня шума.

В схеме не должно быть лишних элементов, поскольку каждый делает свой вклад в шум. Не стоит также использовать дешевые компоненты, в качестве которых есть сомнения.

Драйвер на входе АЦП

Драйвер на входе АЦП используется в трех случаях:

1. Входной сигнал одиночный, а преобразователь имеет дифференциальный вход. Драйвер осуществит преобразование входного сигнала в дифференциальную форму.

2. На входе АЦП используются переключающиеся конденсаторы, чувствительные к скачкам заряда. Драйвер служит буфером между источником сигнала и входом АЦП.

3. При малых входных сигналах, которые необходимо предварительно усилить или сместить. Драйвер используется в качестве формирователя входного сигнала.

 

Рис. 1. Пример входного драйвера, осуществляющего преобразование дифференциального сигнала в однополярный

Назначение драйвера состоит в формировании требуемого сигнала на входе АЦП.  В широкополосных схемах важно, чтобы размах шумового напряжения от драйвера и фильтров не превышал 1 МЗР (младший значащий разряд). В частотной области (например, в системах связи) важны гармонические искажения. Они также не должны превышать 1 МЗР. В видеосистемах и других приложений во временной области критерием является время установления. Временную погрешность также можно выразить через МЗР – драйвер должен установить 1 МЗР в заданный временной интервал.

Выходной сигнал АЦП в отсутствие входного

Можно ожидать, что на выходе быстродействующего АЦП должен быть постоянный сигнал при статическом входном аналоговом сигнале. Однако это не так из-за шума преобразователя.

Эффект подобен появлению постоянного сигнала на выходе ОУ в отсутствие входного сигнала. Если убрать входной сигнал и измерить выходное напряжение цифровым вольтметром, он покажет смещение ОУ. Цифровой вольтметр показывает усредненный результат, поэтому не выявит шум на выходе. Измерить шум можно с помощью осциллографа или анализатора спектра.

Поступают следующим образом. Производится выборка блока данных и усредняется. Полученное среднее не должно превышать допустимое напряжение смещения. В документации к АЦП обычно указывается шум, отнесенный ко входу, выраженный в долях среднеквадратичного значения напряжения 1 МЗР. По сделанным выборкам в отсутствие сигнала строится гистограмма. Скорее всего, получится распределение Гаусса с максимумом вблизи 1 МЗР и разбросом ±3 МЗР. Отнесенный ко входу шум вычисляется как стандартное отклонение выборок.