系统性能分析与测试
本章将首先对系统电路的噪声和温漂进行分析，而后对采集系统的性能进行
测试，并对测试数据进行分析。
5.1
高精度
AD
转换电路噪声和温漂分析
5.1.1
电阻噪声与温漂
1
、电阻的噪声
电阻是一种噪声源，其严重程度取决于电阻值、温度、施加的电压和电阻类
型等。合适地选择电阻是避免或减少信号通道噪声或失真的一种最有效的方法。
电阻热噪声是由于导体内部的电子不规则运动造成的，电阻整体噪声由多种分量
组成，最典型的是热噪声。热噪声的一个显著特点是与电阻材料无关，即在电阻
和温度相同的情况下，任何类型电阻的热噪声是一样的。图
5.1
所示为电阻在电
路中的噪声模型，其可等效于无噪声电阻并联一个电流噪声源，也可等效于无噪
声电阻串联一个电压噪声源。其电压噪声源或者电流噪声源的均方差可以表示为
噪声系数
NI
定义为电阻两端每
1
V
的直流电压降在十倍频程内产生的均方根
噪声电压值（
uV
），一般用
dB
表示。它可以用作衡量不同材料的电阻噪声的大小。
如图
5.2
所示，绕线电阻和金属膜电阻噪声系数相对较小
[42]
。基于碳阻材料的电
阻（如合成碳膜和碳膜电阻）电流噪声较高。金属膜电阻噪声较小。线绕电阻噪
声最小，但实际应用中绕线电阻体积较大。经综合分析，本设计中运放部分采用
高精度的金属膜电阻，而采样电阻则采用高精度金属箔电阻。
2
、电阻的温漂
一般来说，电阻的阻值并不是固定不变的，它会随着温度的变化而发生微小的
变化。电阻温度系数（
TCR
）表示当温度每升高
1
℃
时，导体电阻的增加值与原
来电阻的比值，单位为
ppm/
℃
。可表示为
5.1.2
运放噪声与温漂
1
、运放噪声
运算放大器（运放）电路中的噪声源一般包括散粒噪声（
Shot Noise
）、热噪
声（
Thermal Noise
）、闪烁噪声（
Flicker Noise
）、爆裂噪声（
Burst Noise
）和雪
崩噪声（
Avalanche Noise
）
[43]
。
运放自身的噪声一般体现在总谐波失真参数（
THD
）、总谐波失真与噪声参
数（
THD+N
）以及等效输入噪声电压参数（ ）等。
THD
是指输出信号中基频
信号的各谐波分量的均方根电压值与输出信号总的均方根电压值之比。
THD+N
是指输出信号中的均方根电压加上基频信号的各谐波分量的均方根电压与信号的
基频均方根电压之比
[44]
。
THD+N
可以表示为
等效输入噪声电压参数 是把内部噪声电压折合成一个与同相输入端串联
的电压源。这个参数与频率有关，单位是
V
n
V H
z
。对于设计者来说，计算器件在
电路上产生的噪声可以采用公式（
5-5
）
2
、运放温漂
整个放大电路的温度漂移取决于连接在运放外围的分立器件，一般来说就是
电阻的温漂以及运放自身的的温度漂移。运放自身的温度漂移主要是体现在输入
失调电压的温度漂移上。输入失调电压一般用 来表示，是指为了抵消运放内部
的直流电压失调而必须加在两个输入端之间的电压。它用于平衡由于不可避免的
工艺变化而导致的不匹配。输入失调电压是随着温度的变化而变化的，这个变化
量可以由输入失调电压的温度系数
V
IO
V
IO
来表示，
V
IO
表示为输入失调电压的改变
量与芯片温度改变量之比。
本系统中模拟部分用了两种类型的运算放大器，其性能参数如表
5.1
和表
5.2
所示。
5.1.3
模拟信号前端处理电路总噪声和温漂估算
模拟前端信号处理电路结构，如图
5.3 所示。它包括采样电阻、缓冲运放和调理运放（
OPA1632
全差分运放）。其设计带宽为
0~100
Hz
。
5.2
数据采集测试方法
5.2.1
ADC
数据计算方法和数据通信
随着
ADC
的广泛应用，
ADC
性能参数的测量也变得越来越重要。评价模数
转换器的性能指标主要有转换位数，无杂散动态范围（
SFDR
）、信噪比（
SNR
）、
转换速率和量化灵敏度等。一般来说，
ADC
的转换位数越多，其动态范围就越高
[45]
。但由于
ADC
本身的量化噪声、微分非线性和积分非线性误差带来的噪声、
谐波与采样时钟抖动引入的噪声、系统的热噪声和印刷电路板内信号之间串扰带
来的噪声等，
ADC
的实际转换位数与理想的转换位数是有差距的。因此确定
ADC
的实际有效位对精确评价系统性能是非常重要的。
影响
ADC
有效精度的主要因素是
ADC
内部的热噪声，因此只要测出内部噪
声的值，就能够求出
ADC
的有效精度。为了测试
ADC
的内部噪声，把输入信号
短路，测
ADC
输出值就可以得到内部热噪声的值。为了得到通带内噪声的值，
把
ADC
输出端的数据传输给计算机，由计算机对
ADC
输出的数据进行分析，求
出通带内噪声的均方根值。
本底噪声法测量有效位方法如下：模拟前端不加电流信号，只对本底噪声进
行模数变换，而后采集模数变换后的相关数据，再把这些数据发送到计算机上，
然后计算其有效位。参数测量连接图如图
5.4
所示，具体计算步骤如下
[46]
：
（
1
）采集到你
n
个数据，设对应为
x
i
，
1,2, ,
i n
（2）计算n个数据的均值，
串口数据按帧格式发送到计算机上，由串口接收软件把串口接收到的数据保
存成
.TXT
的文本格式，数据帧格式如图
5.5
所示，其中
AA
表示数据帧头，用于
区分开两个不同的数据。
data1
、
data2
、
data3
、
data4
合并即是
ADC
转换的
32
位
的数据，这
32
位的数据高位在前，低位在后。其界面如图
5.6
所示。每个数据含
有一个起始位、
8
个数据位、一个奇偶校验位以及一个停止位共
11bit
，每个数据
帧由
5
个数据组成，每秒共
500
个数据帧，即可以计算出每秒共
27500bit
的数据，
所以设计中选用
38400bit/s
的波特率进行串口通信。
5.2.2
ADC
操作流程
测试中对
ADC
的操作流程如图
5.8
所示，具体包括
（
1
）对
ADC
进行复位操作，使其内部寄存器处在初始化状态。
（2）向
ADC
发送
SDATAC
（停止持续读数据）命令，使
ADC
不再向外发
送数据。
（3）向
ADC
发送
WREG
（写寄存器）命令，然后把相应的数据写入对应的
寄存器当中，完成对寄存器的配置。
（4）向
ADC
发送
RREG
（读寄存器）命令，把上一步写入到
ADC
寄存器
中的数据读出来，并判断是否与写入的数据一致。如果不一致则从第一步重新开
始，直到一致为止。
（5）通过外部引脚同步
ADC
，使得三路
ADC
同步工作，由于
ADC
配置成
单同步模式，所以只需同步一次。
（6）等待数据转换好信号（
DRDY
引脚），并通过
SPI
总线读取
ADC
的数
据，然后把读数据按帧格式通过
RS232
串口发送到计算机，用于进一步对数据进
行分析。发送完成后回到等待数据转换好信号的状态，如此循环工作。
