理解FFT圖

關(guān)鍵詞：模擬電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換器、ADC、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療電子、Op Amp、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程教育、物理驗(yàn)證與分析、信號(hào)完整性、設(shè)計(jì)方法

    您可以通過(guò)周期性地收集大量的 ADC 輸出轉(zhuǎn)換采樣來(lái)生成 FFT圖。一般而言，ADC 廠商們將一種單音、滿量程模擬輸入信號(hào)用于其產(chǎn)品說(shuō)明書的典型性能曲線。您從這些轉(zhuǎn)換獲得數(shù)據(jù)，然后繪制出一幅與圖 1 相似的圖。該圖的頻率標(biāo)度始終為線性，從零到 1/2 轉(zhuǎn)換器采樣頻率。

 
圖 1 該 FFT 圖中 12 位轉(zhuǎn)換器共有 4096 個(gè)數(shù)據(jù)集。

        通過(guò)將一個(gè) 100ksps 的采樣頻率應(yīng)用到一個(gè) 9.9 kHz 模擬輸入信號(hào)的12 位 ADC，您可以得到圖1中的FFT圖。9.9 kHz 下的信號(hào)便為基本輸入信號(hào) (A)。該基本輸入信號(hào)寄生接近于 0 dB。

FFT 圖中4條規(guī)范包括基本輸入信號(hào)、信噪比、總諧波失真和平均噪聲底限。

        確定某個(gè) ADC 電路中噪聲大小的一種有效方法是使用信噪比(B)。信噪比(SNR)即信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比。FFT 計(jì)算的 SNR 為若干噪聲源的組合。可能的噪聲源包括 ADC 量化誤差、ADC 內(nèi)部噪聲、參考電壓噪聲、ADC微分非線性誤差以及驅(qū)動(dòng)放大器噪聲。信噪比(SNR) 的理論極限值等于 6.02n+1.76 dB，其中 n 為轉(zhuǎn)換器比特?cái)?shù)。

          總諧波失真(C) 對(duì)系統(tǒng)中的失真數(shù)進(jìn)行量化?？傊C波失真(THD)為諧波分量（寄生信號(hào)）強(qiáng)度的均方根(rms)總和與輸入信號(hào)強(qiáng)度的比。產(chǎn)生自 A/D轉(zhuǎn)換器 非線性的寄生信號(hào)以輸入信號(hào)頻率(基本頻率)的整數(shù)倍數(shù)形式出現(xiàn)。大多數(shù)廠商都在其 THD 計(jì)算中使用最早的 7 到 9 諧波分量。

        如果 A/D轉(zhuǎn)換器 產(chǎn)生了寄生信號(hào)，則其有可能具有一些積分非線性誤差。此外，寄生信號(hào)會(huì)來(lái)自通過(guò)信號(hào)源或驅(qū)動(dòng)放大器的輸入信號(hào)。如果輸入信號(hào)產(chǎn)生寄生信號(hào)，它們很可能與基本頻率的頻率不相關(guān)。如果驅(qū)動(dòng)放大器為罪魁禍?zhǔn)?，則其可能具有交叉失真，無(wú)法驅(qū)動(dòng) ADC 或者受限于帶寬。來(lái)自電路其他地方的注入噪聲（例如：數(shù)字時(shí)鐘源或電源頻率等）也可在 FFT 結(jié)果中形成寄生信號(hào)。

       在轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的 FFT 表示法中，平均噪聲底限 (D) 為 FFT 圖中所有bin的方根組合，但不包括輸入信號(hào)和信號(hào)諧波。您應(yīng)該平衡選擇采樣數(shù)和 ADC 比特?cái)?shù)，從而使噪聲底限在所有相關(guān)寄生信號(hào)以下。考慮到這些因素，理論平均民FFT 噪聲底限(dB)等于 6.02n+1.76 dB+10 log[(3×M)/(π×ENBW)]，其中 M 為 FFT 的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，ENBW 為窗口函數(shù)的等效噪聲帶寬，而 n 則為 ADC 的比特?cái)?shù)。12 位轉(zhuǎn)換器 FFT 的合理采樣數(shù)量為 4096。