18bitADC装置でほぼ満足のいく性能が出た

18bit ADCボードがようやく完成に近づいてきました。

まず、昨日までの装置で、入力をGNDに接続した状態でキャプチャした波形はこんな感じでした。

青いのがCh1で、赤いのがCh2です。Ch1は、だいたい±2くらいの範囲(≒60μV)で揺れているのですが、Ch2はその揺れは約2倍あるので太く見えます。また周期的な成分も見えます。標準偏差を電圧に換算してみると、46.89uVと69.25uVでした。

　ノイズの原因

波形の揺れの原因は、隣にあるDACの駆動用信号から混入してきているノイズでした。DACを止めたところ、ぴたりノイズが止まって線が細くなったのです。Ch2のほうがDACに近いため、ディジタルの信号線からノイズを受けたのでしょう。

DACを止めたときのキャプチャ波形はこんな感じです。

線の太さはほぼ同じになりました。ホワイトノイズは同じくらいになったようです。標準偏差を電圧に換算してみると、42.8uVと46.71uVでした。

ヒストグラムを取ってみても、かなり理想的です。

　周波数解析してみよう

でも、まだCh2には周期的な成分が見えています。そこでFFTしてみます。

この図は、周波数の最大値が1MHzです。信号を入れていないのでだいたい-140dBくらいになっているのですが、40kHzくらいのところに-130dBくらいのピークが見えます。これが、Ch2で見えていた周期的な揺らぎの成分です。

この40kHzというノイズは、オンボードの超低ノイズスイッチング電源「LT3439」によるものです。およそ2LSBくらいの揺れを生じさせています。Ch1にはこの成分は見えないので、電源ラインを伝わってきているのではなく、トランスからの電磁誘導によって引き起こされているのだと考えられます。

つまり、ノイズは電源ラインから来ているのではなく、空間を飛んできていると推測されます。この対策は基板の改版時に検討してみることにします。

　ディジタルフィルタをONしたらすごい性能！

ちなみに、FPGAの内部に作ったディジタルフィルタをONにすると、こうなります。1LSBが30μVですから、すごい精度です。18bitADCの性能が出せたと考えています。

　窓関数の効果

さて、こんどはファンクションジェネレータから20kHzの正弦波を入れてみました。

裾野が広がっていて美しくありません。-80dB以下は見えなくなってしまっているので、18bit ADCの意味がありません。

そこで教科書通り窓関数をかけてみることにします。

まずはハミング窓。

-100dBまで下がりました。

Wikipediaによるとナットール窓とかブラックマンハリス窓というのが周波数分解能がよさそうなので、ナットール窓を使ってみました。

すると・・・

わお！　すごくクリアに見えたではないですか。

なんだか高調波もいっぱい見えていますが、きっとファンクションジェネレータの性能でしょう。現在使っているファンクションジェネレータは、高調波ひずみが-55dBcという性能です。つまり、搬送波が-30dBなので、高調波は-85dBくらいあってもおかしくない、という性能です。だから、この高調波は、ADCボード上のプリアンプやADCの性能ではない可能性が高いと思われます。

低ひずみな発振器がほしい・・

というわけで、ADCボードはほぼ完成に近づきました。来月には発売できるように詰めの作業を頑張ります！