ВЛИЯНИЕ ШУМОВ ПИТАНИЯ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛОВ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

АННОТАЦИЯ

В статье исследуется влияние шумов и нестабильности источников питания на точность измерения сигналов аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП) различных архитектур. На основе требований национальных стандартов РФ ГОСТ Р 70845-2023, ГОСТ Р 71057-2023 и ГОСТ Р 71922-2024 сформулированы определения и методики измерения параметров отношения сигнал/шум (SNR), отношения сигнал/шум и искажения (SINAD) и связанных с ними характеристик, применимых к оценке метрологических свойств АЦП. Продемонстрировано, что шумы питания оказывают как прямое влияние (добавление эквивалентного входного шума, модуляция опорного напряжения), так и косвенное влияние (ухудшение коэффициента подавления шумов питания, рост джиттера тактовых сигналов) на динамический диапазон, эффективное число разрядов и итоговую погрешность измерений. Показано, что рост спектральной плотности шумов питания приводит к заметному снижению SINAD и ENOB, что критично для высокоточных измерительных систем. Предложены схемотехнические и конструктивные меры по снижению влияния шумов питания.

ABSTRACT

This article examines the impact of power supply noise and instability on the signal measurement accuracy of analog-to-digital converters (ADCs) of various architectures. Based on the requirements of Russian national standards GOST R 70845-2023, GOST R 71057-2023, and GOST R 71922-2024, definitions and measurement methods for the signal-to-noise ratio (SNR), signal-to-noise-plus-distortion (SINAD), and related characteristics applicable to assessing the metrological properties of ADCs are formulated. It is demonstrated that power supply noise has both a direct effect (adding equivalent input noise, modulating the reference voltage) and an indirect effect (degrading the power supply noise rejection ratio, increasing clock jitter) on the dynamic range, effective number of bits, and the resulting measurement error. It is shown that increasing the spectral density of power supply noise leads to a significant reduction in SINAD and ENOB, which is critical for high-precision measurement systems. Circuit and design measures are proposed to reduce the impact of power supply noise.

Ключевые слова: измерение сигналов, шумы питания, аналогово-цифровые преобразователи, АЦП, точность измерения, высокочастотные колебания и помехи, источники питания, оптимизация, повышение эффективности измерений.

Keywords: signal measurement, power noise, analog-to-digital converters, ADCs, measurement accuracy, high-frequency fluctuations and interference, power supplies, optimization, improvement of measurement efficiency.

Введение

Современные аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) являются ключевыми элементами измерительных, тестовых, радиолокационных и встраиваемых систем. В большинстве приложений предполагается, что точностные характеристики АЦП определяются его архитектурой, разрядностью и внутренними шумами. Однако на практике существенную роль играют внешние факторы: качество источников питания, параметры опорного напряжения, топология печатной платы и условия электромагнитной совместимости [1; 3–5].

В отличие от идеализированной модели, в реальных условиях АЦП воспринимает часть шумов источника питания и опорного источника как составляющую аналогового входного сигнала: флуктуации питающего и опорного напряжений приводят к изменению порогов квантования и эквивалентного входного шума, отражаясь на динамических параметрах — отношении сигнал/шум (SNR), отношении сигнал/шум и искажения (SINAD) и эффективном числе разрядов ENOB [3,4,6].

Цель работы заключается в определении связи высокочастотных колебаний, помех разных категорий источников питания на показатели измерения сигналов с применением аналогово-цифровых преобразователей, а также указать способы минимизации рисков.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

– Систематизировать определения и параметры SNR, SINAD, ENOB и др. в соответствии с ГОСТ Р 70845-2023, ГОСТ Р 71057-2023 и ГОСТ Р 71922-2024 [8–10].

– Выполнить теоретический анализ механизмов прямого и косвенного влияния шумов питания на динамические характеристики АЦП разных архитектур [1,3–7].

– Описать методику экспериментальной оценки SNR и SINAD при различных уровнях шумов питания в соответствии с ГОСТ Р 71922-2024 [10].

– Обобщить результаты и сформулировать рекомендации по снижению влияния шумов питания на точность измерений.

Материалы и методы

В национальных стандартах действующих на территории РФ ГОСТ Р 70845-2023 и ГОСТ Р 71057-2023 введена согласованная система терминов и параметров для аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, включая динамические характеристики, используемые в технической документации и при аттестации средств измерений [8,9]. ГОСТ Р 71922-2024 дополняет эту систему, устанавливая методы измерения характеристик преобразования АЦП, в том числе спектральный метод на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) и расчёт параметров SFDR, THD, SINAD и SNR [10]. Тем самым создаётся нормативная основа для сопоставимой оценки точности АЦП в российских условиях.

Архитектура АЦП (параллельные, последовательного приближения, сигма-дельта, интегрирующие и др.) и типичные источники погрешностей подробно рассмотрены в обзорной статье В. Райса [1] и в ряде современных публикаций российских разработчиков АЦП [2, 4]. В зарубежных руководствах подчёркивается, что шумы и нестабильность источников питания и опорных напряжений являются одной из основных причин ухудшения SNR и SINAD в реальных измерительных системах; вводится и экспериментально рассматривается коэффициент подавления шумов питания (PSRR) АЦП и предварительных усилителей [3, 5–7].

Экспериментальная часть базируется на методе 4 ГОСТ Р 71922-2024 (спектральный метод) [10].

В качестве объектов исследования выбираются:

– 8-битный АЦП имеет 256 уровней, максимальная погрешность — примерно 0.39% от полного диапазона; достаточен для многих бытовых задач.

– 16-битный АЦП — 65536 уровней, погрешность — около 0.0015%, подходит для точных измерений.

Точность определяется разрядностью: при увеличении битности погрешность уменьшается пропорционально 1/2n.

Результаты

В соответствии с ГОСТ Р 70845-2023 и ГОСТ Р 71057-2023 динамические свойства АЦП описываются рядом параметров, среди которых ключевыми для оценки точности являются отношение сигнал/шум (SNR) и отношение сигнал/шум и искажения (SINAD) [8,9]. ГОСТ Р 71922-2024 регламентирует методику их измерения посредством спектрального анализа выходного сигнала АЦП [10].

SNR определяется как отношение среднеквадратичного значения (СКЗ) полезного сигнала к СКЗ шумовой составляющей, не включая гармонические искажения, но включая шум квантования [3,4,10]. SINAD, напротив, учитывает суммарное воздействие шумов и гармонических искажений (включая нелинейные и паразитные составляющие), что делает его более полным показателем динамического качества АЦП [3,5,10].

Точность оценки сигналов — это способность АЦП правильно преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую форму с минимальной погрешностью. Основные факторы, влияющие на точность, включают разрядность преобразователя, её квантование, динамический диапазон, шумовые помехи и нелинейность устройства.

Указывая на различия в видах электронных компонентов тестовых, измерительных приборов, важно отметить, что в цифровом осциллографе применяется высокая частота дискретизации, но нет высокого разрешения, поскольку оно не требуется для сохранения точности. А для эффективной работы цифровых мультиметров высокое разрешение представляет обязательным условием, но нет необходимости в высокой скорости измерения. В последние несколько лет аналогово-цифровые преобразователи максимально защищены от определенных искажений, например, дельта-сигма и некоторые другие обладают встроенными фильтрами, отсеивающими высокочастотные колебания и помехи, что в свою очередь способствует сокращению рисков ошибок оцифровки, подтверждения неверных сигналов. Помимо этого, есть и другие преимущества этих электронных устройств – универсальность, простота хранения данных, мультиплексирование, интегрирование со множеством оборудования, программного обеспечения и систем, что не позволяет отказаться от внедрения АЦП в производство [3].

Далее в таблице 1 будет продемонстрировано сравнение и сопоставление изменения точности оценки сигналов аналогово-цифровыми преобразователями  на основе следующего примера:

– 8-битный АЦП имеет 256 уровней, максимальная погрешность — примерно 0.39% от полного диапазона; достаточен для многих бытовых задач.

– 16-битный АЦП — 65536 уровней, погрешность — около 0.0015%, подходит для точных измерений.

Точность определяется разрядностью: при увеличении битности погрешность уменьшается пропорционально 1/2ⁿ.

Шумовые факторы (текущий шум в системе) могут ограничивать фактическую точность, делая её ниже теоретической.

При измерении низкочастотного аналогового сигнала методом 12-битного АЦП с хорошей калибровкой можно получить точность около 10 бит (то есть около 1024 уровней). Однако, если уровень шума системы превышает половину минимального изменения сигнала, реальная точность снижается.

Таблица 1.

Сравнение и сопоставление изменения точности оценки сигналов аналогово-цифровыми преобразователями

Однако, в реальных условиях измерения точность часто ниже теоретической из-за:

– Шумов: теряется часть информации из-за электромагнитных помех.

– Нелинейности: нелинейные искажения в характеристиках АЦП.

– Погрешностей калибровки: неправильная настройка влияет на качество преобразования.

 В исследовательских, научных и промышленных целях используют системы сбора данных общего назначения, которые по скорости дискретизации и разрешающей способности занимают место между цифровыми мультиметрами и осциллографом [4, 5]. Ниже на рисунке №1 показаны виды аналогово-цифровых преобразователей.

Рисунок 1. Виды аналогово-цифровых преобразователей [1]

Процесс преобразования не является идеальным, всегда присутствует разброс параметров и различные категории внешних помех. Определение погрешностей цифрового кода на выходе АЦП является нормой, в данный момент, актуальна трансформация текущего подхода, внесение изменений в измерение сигналов с применением аналогово-цифровых устройств. Для этого необходимо более полное изучение влияние шумов питания на итоговых характеристики, в первую очередь на обработку передаваемых данных. Также стоит отметить, что в спецификации АЦП указываются погрешности самого преобразователя, статистические и динамические. Конечное программное обеспечение или конкретная система определяет, какие характеристики электронного компонента признаются значимым, важными в рассматриваемом случае [6, 7]. SINAD максимально полно описывает шумовые характеристики аналогово-цифровых преобразователей, учитывая величину шума, гармонических искажений и иных искажений в связи с действием к полезным сигналам. Расчет этого значения выполняется по формуле:

                                      (1),

где:

- мощность полезного сигнала;

  - мощность шума

 - мощность искажения (гармоник)

Для сигма-дельта АЦП снижение SNR и SINAD при повышении уровня шумов питания оказывается менее резким в полосе подавления внутреннего цифрового фильтра, однако при наличии высокочастотных пульсаций, выходящих за пределы полосы подавления, ухудшение динамических параметров становится сопоставимым с SAR-АЦП [3,5–7].Ниже для большей наглядности на рисунке 2 будет продемонстрировано отношения сигнала к шуму.

Рисунок 2. SNR — отношение «сигнал/шум» [1]

Исходя из вышеизложенного можно сформулировать вывод о  влиянии шумов питания на точность измерения сигналов АЦП, проявляющихся в ухудшении эффективности оценки данных, увеличение погрешностей, снижение отношения сигнал/шум. В производственных и научных целях требуется минимизировать негативное воздействие различных источников питания, не допуская искажения цифровых данных, особенно при анализе слабых сигналов. С этой целью были разработаны следующие методы [8]:

– Использование развязанных источников питания;

– Экранирование и фильтрация (для уменьшения шума, проникающего в аналоговую часть схемы);

– Правильное разведение печатной платы (аналоговой и цифровой "земли", минимизация длины сигнальных линий);

– Снижение шума на входах АЦП (эталонным сигналом для калибровки должен выступать заземленный вход или сильно развязанный источник напряжения).

Также следует отметить, что в настоящее время активно идет совершенствование аналогово-цифровых преобразователей. Так, в разных радиоэлектронных устройствах применяется метод понижения частоты до промежуточной с дальнейшей цифровой обработкой сигнала. Очевидно, что, чем выше частота дискретизации, тем лучше можно преобразовать аналоговый сигнал в цифровой в передатчике и тем точнее восстановить этот сигнал в приемники [3,4]. Ниже на рисунке №2 и №3 представлены модели внедрения приемников аналоговых сигналов в современные преобразователи, что позволит трансформировать процесс измерения сигналов и максимизировать точность оценки, мониторинга различной передаваемой информации, ее сохранения в виде цифрового кода [2].

Рисунок 2. Классическая схема приёмника аналогового сигнала с понижающим преобразователем [2]

Рисунок 3. Структурная схема приёмника аналогового сигнала с АЦП на основе ЦППЧ [2]

Полученные результаты согласуются с теоретическими моделями и нормативными описаниями, согласно которым шумы и пульсации питания приводят к увеличению эквивалентного входного шума и флуктуациям опорного напряжения [3,4,8–10]. В терминах ГОСТ Р 71922-2024 это проявляется как рост суммарной шумовой мощности в спектральной области вне основной гармоники, что непосредственно снижает SNR и SINAD [10].

Для SAR-АЦП дополнительное влияние оказывает структура цепи выборки-хранения и цифровая логика управления, питающиеся от той же шины: импульсные токи коммутации создают локальные падения напряжения и наводки в цепях, что усиливает чувствительность к качеству питания [1,5–7].

Косвенное влияние шумов питания проявляется в:

– ухудшении уровня шума на выходе операционных усилителей-драйверов из за недостаточного коэффициента подавления шумов питания (PSRR), что приводит к переходу шумов питания на вход АЦП [5–7];

– наводках через общие участки проводников и индуктивные связи петельных токов печатной платы, особенно при недостаточном разделении аналоговой и цифровой земли [3,6];

– росте джиттера тактового сигнала из-за шумов питания генераторов и PLL, что в высокоскоростных системах приводит к дополнительной погрешности дискретизации, эквивалентной шуму в выходном спектре [5–7].

Сопоставление SAR и сигма-дельта АЦП показывает, что архитектура с передискретизацией и цифровой фильтрацией (сигма-дельта) в меньшей степени чувствительна к низкочастотным составляющим шумов питания, но может быть более чувствительна к высокочастотному джиттеру тактового сигнала [3,5–7].

Заключение

В работе рассмотрено влияние шумов и нестабильности источников питания на точность измерения сигналов аналогово-цифровыми преобразователями различных архитектур с опорой на актуальные национальные стандарты РФ и современные научно-технические источники.

Показано, что:

1) Шумы питания оказывают как прямое влияние на динамические параметры АЦП (через эквивалентный входной шум и флуктуации опорного напряжения), так и косвенное влияние (через PSRR аналоговых каскадов, топологию печатной платы и джиттер тактовых сигналов) [3–7,10].

2) При переходе от малошумящего линейного стабилизатора к неотфильтрованному импульсному источнику наблюдается существенное снижение параметров SNR, SINAD и ENOB; введение фильтрации и грамотной разводки питания позволяет частично компенсировать эти эффекты.

3) SAR-АЦП и сигма-дельта АЦП демонстрируют различную чувствительность к спектру шумов питания: сигма-дельта-архитектура лучше подавляет низкочастотные шумы, но чувствительна к высокочастотным пульсациям и джиттеру; SAR-АЦП более восприимчив к широкополосным помехам и переключательным токам [1–3,5–7].

4) Использование методики измерения по ГОСТ Р 71922-2024 и терминологии ГОСТ Р 70845-2023, ГОСТ Р 71057-2023 обеспечивает сопоставимость результатов и их применимость для метрологической оценки АЦП в российских условиях [8–10].

Практически значимыми выводами являются необходимость:

– применения малошумящих и развязанных источников питания и опорных напряжений;

– тщательной топологии печатной платы с разделением аналоговой и цифровой земли и контролем петельных токов;

– учёта требований национальных стандартов при определении SNR, SINAD и ENOB АЦП в составе измерительных систем.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на расширение экспериментальной базы для различных типов АЦП и режимов питания, а также на разработку методик автоматизированной диагностики качества питания по результатам анализа спектра выходного сигнала.

Список литературы:

1. Райс В. Как работают аналогово-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП? // Компоненты и технологии. 2005. № 3.
2. Алексеев В. Аналого-цифровые преобразователи с понижением частоты. Часть 1 URL: https://www.cta.ru/articles/soel/2018/%202018-4/116259/?utm_medium=organic&utm_source=yandexsmartcamera (дата обращения 06.11.2025)
3. Полунин М. Н., Лосев В. В., Чаплыгин Ю. А. Исследование методов тестирования SINAD аналого-информационных преобразователей //Известия высших учебных заведений. Электроника. 2022. Т. 27. №. 5. С. 603-612.
4. Зайцев А. В. Оцифровка аналоговых сигналов //E-Management. – 2021. Т. 4. №. 1. С. 13-19.
5. Lizon B. Fundamentals of precision ADC noise analysis //Texas Instruments: Dallas, TX, USA. 2020.65 c.
6. Reeder R. Designing power supplies for high speed ADC //Analog Devices, Inc. 2012. URL:  https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/power-supplies-high-speed-adc.html (дата обращения 06.11.2025)
7. Vardhini P. A. H., Makkena M. L. Design and comparative analysis of on-chip sigma delta ADC for signal processing applications //International Journal of Speech Technology. 2021. Т. 24. №. 2. С. 401-407.
8. ГОСТ Р 70845-2023. Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей URL:  https://meganorm.ru/Data/816/81625.pdf (дата обращения 10.11.2025) 
9. ГОСТ Р 71057-2023. Микросхемы интегральные полупроводниковые. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Система параметров URL:  https://meganorm.ru/Data/816/81619.pdf (дата обращения 10.11.2025)
10. ГОСТ Р 71922-2024. Микросхемы интегральные. Аналого-цифровые преобразователи. Методы измерения параметров характеристики преобразования URL: https://files.stroyinf.ru/Data/844/84415.pdf (дата обращения 10.11.2025)