В каких случаях недостаточная частота выборки и дрожание тактовых импульсов ухудшают качество преобразования

Частота выборки в широкополосных приемниках, спутниковых базовых станциях, телекоммуникационных приемниках выбирается, исходя из теоремы Найквиста (Котельникова). Несущие частоты в этих устройствах по сравнению с частотой информационных сигналов достаточно высоки. Поэтому временная нестабильность, вызванная дрожанием тактовых импульсов и апертурной дрожью АЦП, может привести к существен- ному увеличению уровня шумов в результате преобразования. Исходя из допустимого уровня шумов, следует выбирать тип аналого-цифрового преобразователя и схему формирования тактовых импульсов.

Источниками шумов АЦП в перечисленных выше системах являются шум квантования, внутренний тепловой шум и шум, вызванный апертурной дрожью и дрожанием тактовых импульсов. Шум квантования и тепловой шум определяют отношение сигнал/шум АЦП. Величина этих шумов нормируется и зависит от типа выбранного АЦП. Апертурная дрожь tад определяется временными параметрами ключей в УВХ. Дрожание тактовых импульсов tти приводит к нестабильности частоты выборки от цикла к циклу. Суммарное время дрожания tΣ можно вычислить из выражения: Выбрав конкретный тип АЦП, достаточно трудно повысить его временную стабильность, однако, используя приведенные ниже рекомендации, можно улучшить отношение сигнал/шум на выходе АЦП.

Прежде всего, можно использовать внешнюю тактировку АЦП.

На рис. 1 показана зависимость погрешности преобразования от фазового шума (dt), вызванного дрожанием тактовых импульсов. Связь между отношением сигнал/шум (SNR) и дрожанием тактовых импульсов может быть представлена выражением: SNR (дБн)= -20 log10 (2πfвхtти), где fвх – частота входного сигнала.

Рис. 1. Зависимость погрешности преобразования от величины фазового шума

Для АЦП, частота выборки которого задается, исходя из теоремы Найквиста, дрожание тактовых импульсов (или фазовый шум) должно быть минимальным. Тактовые сигналы могут быть синусоидальными или дискретными. Дискретные импульсы имеют крутые фронты, однако последовательность прямоугольных импульсов является источником широкополосных шумов, которые проникают в цепь входного сигнала. С другой стороны, синусоидальный сигнал в качестве тактового имеет более высокий среднеквадратичный уровень фазового шума. Рекомендации по формированию тактовых импульсов АЦП, как правило, содержатся в техническом описании – data sheet.

Следующим приемом, позволяющим уменьшить влияние временной нестабильности тактовых импульсов, является использование дифференциального сигнала (рис. 2). В этом случае может быть удвоен размах тактового импульса и повышается коэффициент ослабления синфазной помехи благодаря использованию rail-to-rail диапазона. Кроме того, в этом случае дискретный сигнал легко заменить синусоидальным.

Рис. 2. Функциональная схема формирования дифференциальных тактовых сигналов

В заключение отметим, что для ответственных применений ряд фирм выпускает специальные ИМС генераторов тактовых импульсов со сверхнизким дрожанием фронтов.