軟件定義儀器的數字化前端和ADC 的等效分辨率

摘要： 為了給軟件定義儀器中的數字化前端的設計和選擇提供依據，提出了ADC 等效分辨率的概念。結合過(guò)采樣技術(shù)和香農限帶高斯白噪聲信道的容量公式推導出了等效分辨率的公式，并以測量心電信號為例，采樣速率為400SPS、ADC 參考電壓為2.5 V 時(shí)，選用等效分辨率為26 位的ADC。經(jīng)實(shí)例證明，等效分辨率為ADC 的性能*估和軟件定義儀器中的數字化前端的選擇提供了一個(gè)重要參數，也為選擇軟件定義儀器提供了一個(gè)簡(jiǎn)明的指標，有著(zhù)一定的指導意義。

　　測試儀器在人類(lèi)進(jìn)步史上的作用不言而喻，其發(fā)展經(jīng)歷了漫長(cháng)的過(guò)程，傳統測試儀器結構簡(jiǎn)單，功能單一，主要依靠手工測試，工作效率較低。伴隨著(zhù)現代工業(yè)革命浪潮出現的現代測試儀器，集計算機軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)測試（ATE）技術(shù)于一身，大大提高了測試的速度和準確度，但這些儀器主要由硬件構成，其所有功能都在出廠(chǎng)前以硬件的形式固化下來(lái)，用戶(hù)很難對其功能做出改變，且儀器難以升級換代，開(kāi)發(fā)研制周期長(cháng)，經(jīng)費投入大。文獻[5]提出的軟件定義儀器是一種基于SoC（System on Chip，單片系統）技術(shù)，盡可能用數字信號處理取代模擬信號處理和用戶(hù)可以方便定義與修改儀器功能的儀器，為新一代的儀器設計提出了新的思路。因此，這里提出一種軟件定義儀器，詳細介紹了該儀器的數字化前端和ADC 的等效分辨率。

　　1 軟件定義儀器

　　現代儀器一般都采用微處理器作為其核心控制器件，微處理器只能處理數字信號，而待測信號多為模擬信號。通常采用的方法是將被測信號模擬放大、濾波，使其信號的輸出動(dòng)態(tài)范圍與參考電壓相適應， 以滿(mǎn)足所需要的分辨率，并抑制噪聲。在儀器儀表的研發(fā)中，模擬電路部分（傳感器接口電路＋放大濾波）和數字部分是最為重要的兩個(gè)部分，又是各個(gè)整機廠(chǎng)“各自”研發(fā)、投入最大、重復最多的兩個(gè)部分。軟件儀器的一般結構如圖1 所示。

　　為使被測量經(jīng)過(guò)傳感器后直接進(jìn)行A/D 轉換，再進(jìn)行數字信號處理，就要求ADC 盡量靠近傳感器，使接收到的足夠幅度的模擬信號盡早地數字化，接下來(lái)的工作就是由軟件和數字化硬件實(shí)現儀器功能的定義與修改?？梢?jiàn)軟件定義儀器是用A/D 轉換的高分辨率換取了信號的增益，而用采樣速度來(lái)?yè)Q取A/D 轉換的分辨率，A/D 轉換的精度是儀器功能由軟件定義的基礎。

　　軟件定義儀器的理念會(huì )為儀器的研發(fā)和生產(chǎn)帶來(lái)極大的便利，免去了很多重復性工作，也給使用者以很大的靈活空間。軟件定義儀器的基礎是盡可能減少模擬電路。采用ADC 的分辨率換取模擬放大器的增益不僅可以降低成本、簡(jiǎn)化電路、提高抗干擾性能和動(dòng)態(tài)范圍，還能提高儀器的靈活性和精度。

　　在通信市場(chǎng)中，由于新的通信標準發(fā)展迅速，經(jīng)常需要新的信號源和測量功能，所以帶來(lái)了很大的挑戰，為了跟上標準的發(fā)展速度，測試儀器供應商通過(guò)軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)縮短儀器開(kāi)發(fā)時(shí)間。在軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中，ADC 的參數選擇中已經(jīng)討論，而本文根據香農定理，結合過(guò)采樣技術(shù)，提出了針對所有市場(chǎng)測試儀器中軟件定義儀器的ADC 參數統一選擇的問(wèn)題，即模數轉換器的等效分辨率的概念， 為軟件定義儀器的數字化前端設計和ADC 的選擇提供一個(gè)簡(jiǎn)明的指標，從而為選擇ADC 帶來(lái)方便。

　　2 ADC 的等效分辨率

　　軟件定義儀器中的數字化前端可以有3 種途徑：1）采用數字化傳感器，將模擬信號直接轉化為數字信號傳入微處理器，這一點(diǎn)在文獻[5]中已經(jīng)做了詳細的闡述，本文不做討論；2）可通過(guò)高分辨率的ADC，如Σ-Δ 型ADC，過(guò)采樣Σ-Δ 技術(shù)使之實(shí)現高達24 位高分辨率的A/D 轉換， 但由于這一技術(shù)的原理限制， 使得真正達到24 位分辨率時(shí)的轉換速度很低，這個(gè)缺陷使這一高精度高分辨率的模數轉換器只能用于低頻信號的測量；3）采用高速中分辨率的ADC，通過(guò)過(guò)采樣將速度轉化為精度，這種方法已廣泛用于通信領(lǐng)域，在測量領(lǐng)域上也開(kāi)始引起注意，但現有文獻沒(méi)有提及如何選擇合適的模數轉換器。