相同，这款沟通生成器的噪声和失真水平应该远优于这些ADC的规范，依据大部分供货商供给的规范，其本底噪声水平远低于 –140 dBc，失真水平低于–120 dBc，输入信号音频率为1 kHz或2 kHz，最高可达20 kHz。有关适宜高分辨率带宽ADC的典型测验台的典型测验装备，请参阅图1。最要害的元件便是正弦波生成器（单信号音或多信号音），其间依据软件的直接数字频率组成器(DDS)能够供给彻底的灵活性、极高的频率分辨率和时钟同步功能，运用数据搜集体系来履行相干取样，以防止走漏和FFT窗口滤波。
因为本钱只要音频精细剖析仪的几分之一，所以能够依据直接数字频率组成(DDFS)原理规划十分精准的正弦波生成器，但需求经过软件在SHARC®处理器等浮点DSP处理器上完结。一个适当快的浮点DSP将能满意实时性要求，以及一切算法和处理条件，以到达先进的SAR ADC所设置的失真和噪声功能水平。经过运用SHARC内核架构的全字数据长度（32位或64位定点格局）来施行NCO相位累加，运用专有的40位浮点扩展精度来履行正弦近似函数，以及运用数字滤波器来确认频谱形状，量化效应（反转噪声和切断噪声）得到大幅下降，与用于信号重构的数模转化器(DAC)缺陷比较，这种效应能够忽略不计。
重构DAC：要害之处！
首要或许会挑选具有超卓的非线性差错（INL和DNL）规范的高精度DAC，例如超卓的20位高精度DACAD5791。可是它的分辨率只要20位，并且其R-2R结构不支撑施行信号重构，特别是发生十分纯的正弦曲线，这是因为在输入代码转化期间，它存在很大毛刺。传统的DAC架构依据二进制加权电流发生器或电阻网络构建，对数字直通和数字开关损害（例如外部或内部时序摇摆），以及数字输入位的其他开关不对称十分灵敏，特别是在会导致能量改变的严重改变期间。这就发生了与代码相关的瞬态，然后发生高起伏谐波杂散。
在20位以上的分辨率下，运用外部超线性快速采样和坚持放大器对DAC输出去毛刺并无太大协助，这是因为它在几十LSB下会生成自己的瞬态，且会因为重采样发生组推迟非线性。信号重构首要存在于通讯运用，经过运用分段架构（混适宜用于MSB的彻底解码部分和适用于最低有用位的二进制加权元件）来处理毛刺问题。惋惜的是，现在还没有超越16位精度的商用DAC。与NCO彻底可猜测的行为不同，DAC差错难以猜测和精确仿真，尤其是当制造商的动态规范很小或许不存在时，但专用于音频运用的DAC或ADC在外。插值过采样和多位∑-∆ DAC似乎是仅有的处理方案。这些先进的转化器具有高达32位的分辨率、超低失真和高信噪比，是在中低带宽内施行信号重构的最佳挑选。为了在音频频谱或稍宽的频段（20 kHz或40 kHz带宽）内完结超卓的噪声和失真功能，能够运用ADI公司产品系列中超卓的∑-∆ DAC产品，音频立体声DACAD1955， 尽管分辨率最高为24位，这款DAC仍然是商场上十分受欢迎的音频DAC。
这款音频DAC于2004年推出，依据多位Σ-Δ调制器和过采样技能，合作各种技巧，用于缓解这种转化自身固有的失真和其他问题。8
即便现在，AD1955选用的插值LP FIR滤波器仍然是同类超卓产品。它具有极高的阻带衰减(≈–120 dB)和极低的带内波纹(≈±0.0001 dB)。它的两个（左边和右侧通道）DAC能够以最高200 kSPS速度运转，但在48 kSPS和96 kSPS时完结最佳沟通功能，其动态规模以及立体声形式下的SNR，都支撑典型的EIAJ规范、A加权120 dB系数。在单声道形式下，两个通道一起异相组合，功能有望进步3 dB。可是，关于宽带运用，这些规范不太实践，这是因为它们是组成的，带宽规模在20 Hz至20 kHz之间。带外噪声和杂散不会超越20 kHz，部分是因为EIAJ规范、A加权滤波器和音频职业规范界说。这种满意特定音频丈量要求的带通滤波器模仿人耳的频率响应，与未滤波的丈量值比较，功能进步3 dB。
图6.LTspice仿真AD1955 EVB三阶抗混叠滤波器（立体声装备）的频率响应。
DDFS硬件演示渠道：选用AD1955完结正弦波重构
整套DDFS运用两个评价板完结，一个支撑DSP处理器，一个适用于选用AD1955 DAC进行模仿信号重构。挑选第2代SHARC ADSP-21161N评价板的原因在于其可用性、易用性，以及适宜任何音频运用的精简装备。现在仍在量产的ADSP-21161N于不久之前规划，支撑工业高端消费电子和专业音频运用，供给高达110 Mips和660 MFlops，或220 MMACS/s容量。与最新一代的SHARC处理器比较，ADSP-21161N最大的不同在于它选用较短的3级指令管道、一个片内1 Mb三端口RAM，以及数量更少的外设。精准信号音生成器的最终和最要害的级依据AD1955评价板，该板有必要从软件NCO供给的样本中，以彻底复原的办法重构模仿信号。这个评价板带有一个抗混叠滤波器(AAF)，优化音频带宽来满意Nyquist规范，除了常用的S/PDIF或AES-EBU接收器外，还配有两个串行音频接口，用于支撑PCM/I2S和DSD数字流。PCM/I2S串行链路连接器用于将AD1955 DAC板连接到ADSP-21161N EVB的串行端口1和3连接器(J)。这两个板都能够装备为选用I2S PCM或DSP形式，以48 kSPS、96 kSPS或192 kSPS采样速率运转。DSP串行端口1生成左右通道数据、字挑选或左/右帧同步，以及双频DAC的数字输入接口所需的SCK位时钟信号。串行端口3仅用于生成运转DAC内插滤波器和Σ-Δ调制器所需的DAC主时钟MCLK，调制器以比输入采样频率(48 kSPS)快256倍（默许）的速度运转。因为一切DAC时钟信号都由DSP生成，所以运用Crystek供给的超低噪声振荡器CCHD-957代替了板原有的低本钱爱普生时钟振荡器。其相位噪声在1 kHz下或许低至–148 dB/Hz，适用于24.576 MHz输出频率。
在模仿输出端，有源I/V转化器有必要用于在恒共模电压下（一般为2.8 V）坚持AD1955电流差分输出，以最大极限削减失真。像AD797 这样的超低失真和超低噪声的高精度运算放大器能够满意此需求，还可用于处理模仿信号重构。 因为两个差分输出由DSP别离处理，因而挑选了具有AAF拓扑结构的立体声输出装备，而不是单声道形式。这个AAF运用LTspice® XVII进行仿真，成果如图6所示。因为滤波器的最终一部分是无源的，所以应该像最近推出的ADA4945那样添加一个有源差分缓冲级。这种具有低噪声、超低失真、快速树立时刻特性的全差分放大器是近乎完美的驱动任何高分辨率SAR和Σ-Δ ADC的DAC配件。ADA4945具有相对较大的共模输出电压规模和超卓的直流特性，能够供给超卓的输出平衡，有助于按捺偶数阶谐波失真产品。
EVB三阶滤波器的–3 dB截止频率为76 kHz，在500 kHz下仅衰减–31 db。这款低通滤波器具有超卓的带内平整性，但带外衰减有必要大幅改进，即便是限于朴实的重构音频运用。要按捺DAC成型噪声和调制器时钟频率MCLK，就有必要满意这一点。依据软件DDS的详细运用，用于单信号音生成器或恣意波形生成器（生成杂乱波形时为AWG），有必要优化AAF，以处理带外衰减或群推迟失真。以我们了解的SRS DS360超低失真函数生成器为例进行比较，选用7阶Cauer AAF可到达相似的采样速率。信号重构由AD1862完结，后者是一款串行输入20位分段R-2R DAC，适用于数字音频运用。AD1862在高达768 kHz (×16 fS)频率下能够坚持20位字采样速率，且具有超卓的噪声和线性度。它支撑单端电流输出，所以能够运用最超卓的放大器来施行外部I-V转化。
AD1955和SHARC DSP组合针对多种高分辨率SAR ADC施行测验，例如AD4020，其间未设置外部可选无源滤波器。默许情况下，根底AD4020评价板除了板载ADA4807驱动器之外，并无其他选项可用。用于在V_REF/2共模电压下偏置ADC输入的简略电路供给适当低的300 Ω输入阻抗，需求运用信号阻隔、沟通耦合，或运用外部差分放大器模块，例如EVAL-ADA4945-1。电路笔记CN-0513中描绘的AD4020参阅规划板便是一项不错的挑选。它包括一个分立式可编程增益外表放大器(PGIA)，供给高输入阻抗，支撑±5 V差分输入信号(G = 1)。尽管这些AD4020板和它们的SDP-H1操控器不支撑相干采样搜集，但它们具有超卓的样本波形捕捉长度，最高可达1M。因而，能够完结具有可选窗口的FFT，供给超卓的频率分辨率和低本底噪声。例如，关于7项Blackman-Harris窗口，图7中所示的1 Mpts FFT图描绘了AD1955在生成的990.059 Hz正弦波下的失真水平。二次谐波是350 kHz带宽内–111.8 dBc下的最大失真重量和最大杂散。可是，在考虑整个806 kHz ADC Nyquist带宽时，SFDR受∑-∆ DAC调制器、内插滤波器频率和其二次谐波（384 kHz和768 kHz）约束。
在相同条件下，对传统的AD1862进行测验，成果显现频率行为稍微不同。在差分装备下，两个20位DAC的时钟速度约为500 kSPS，在1.130566 kHz下，本底噪声为–151 dBFS，正弦输出水平为12 V p-p时的THD为–104.5 dB。在AD4020 Nyquist带宽(806 kHz)下，SFDR挨近106 dB，受三阶谐波约束。DAC重构滤波器依据两个AD743 低噪声FET放大器，与AD1955评价板中的滤波器相同，归于三阶滤波器，可是-3 dB时的截止频率为35 kHz。
为了变得有用，依据DDS的生成器需求选用不错的滤波器，支撑在约250 kHz下完结大于100 dB衰减，以生成到达25 kHz CW信号频率规模的直流。这能够运用六阶切比雪夫滤波器完结，乃至运用用于显现超卓带内平整度的六阶巴特沃兹低通滤波器完结。滤波器阶将被最小化，以约束模仿级的数量和问题点，例如噪声和失真。
图7.从1 M点FFT剖析中能够看出，在低于–111 dBc下具有不错的失真功能，在1 kHz输入频率下，10 kHz至200 kHz频段内呈现最大杂散。本底噪声约为–146 dBFS。
定论
在规范评价板上施行的初级和开箱即用测验显现，用于传统正弦波CW生成的依据处理器的DDS技能要完结高功能指日可下。经过精心规划重构滤波器和模仿输出缓冲级，能够完结–120 dBc谐波失真系数。依据DSP的NCO/DDS不只遭到单信号音正弦波生成约束。经过运用具有适宜的截止频率，且无其他硬件改变的优化AAF（贝塞尔或巴特沃兹），相同的DSP和DAC组合可用作高功能AWG来生成任何类型的波形，例如，彻底组成可设置参数的多信号音正弦波（能够彻底操控每个重量的相位和起伏）来施行IMD测验。
因为浮点算法关于要求高精度和/或高动态规模的运用至关重要，现在，低本钱ADSP-21571或SoCADSP-SC571（ARM®和SHARC）等SHARC+ DSP处理器实践上是业界的实时处理规范，支撑最高10 MSPS的算计采样速率。双SHARC内核和其硬件加速度计选用500 MHz时钟频率，能够供给高于5 Gflops的核算功能和数十个内部专用SRAM，后者是生成各种波形，以及施行杂乱的剖析处理需求的根本组成部分。此类运用标明，在施行精准的数字信号处理时，并非一定要体系性地运用硬件可编程处理方案。得益于ADI公司的CCES、VDSP++ C和C++编译器，以及全套仿真器和实时调试器，浮点处理器及其整个开发环境能够快速轻松地从仿真器（例如MATLAB）移植代码，以及快速施行调试。
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作者简介
Patrick Butler是ADI公司南欧出售集团的一名现场运用工程师，为法国全球商场和部分ADEF客户供给支撑。从1984年至今，他一直在ADI公司作业，首要担任DSP构建模块IC以及高速转化器的开发。在此曾经，他在法国圣艾蒂安斯伦贝谢公司ATE部分作业了5年，任规划工程师，之后法国南特Matra-MHS、AMD和Harris SC-Intersil担任多个运用工程师和FAE职位。现在，他的首要喜好是搜集旧式音响组件，在两个儿子的协助下，着手制造高效的有源喇叭扬声器体系。
