ADC參數(shù)及ENOB測(cè)試

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2022-05-19 12:10:34 141

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)在信號(hào)處理、控制等領(lǐng)域中的?泛應(yīng)?，過(guò)去由模擬電路實(shí)現(xiàn)的?作，今天越來(lái)越多地由數(shù)字電路或計(jì)算機(jī)來(lái)處理。作為模擬與數(shù)字之間的橋梁，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的重要性越來(lái)越突出，由此也推動(dòng)了ADC測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

本文先介紹了ADC的測(cè)試，包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，然后結(jié)合?動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試實(shí)例，詳細(xì)介紹了 ADC芯片參數(shù)的測(cè)試過(guò)程。

測(cè)試原理

1. 1　靜態(tài)參數(shù)的測(cè)試原理

ADC的靜態(tài)參數(shù)是指在低速或者直流流入ADC芯片測(cè)得的各種性能參數(shù)。靜態(tài)參數(shù)測(cè)試方法有逐點(diǎn)測(cè)試法等，其主要測(cè)試過(guò)程如圖1所示。

（1）零點(diǎn)誤差的測(cè)量

零點(diǎn)誤差又稱(chēng)輸入失調(diào)，是實(shí)際模數(shù)轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)中數(shù)字0的代碼中點(diǎn)與理想模數(shù)轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)中數(shù)字0的代碼中點(diǎn)的最大誤差，記為EZ。其測(cè)試方法如下：輸入電壓逐漸增大，當(dāng)圖1中的數(shù)字顯示裝置從00..00變?yōu)?0..01，記下此時(shí)輸入電壓Vin1 ，然后逐漸減小輸入電壓，使數(shù)字顯示裝置由00..01變?yōu)?0..00，記下輸入電壓Vin2 ：
　　

　　式中：N 為A /D的位數(shù); VFSR 為A /D輸入電壓的滿(mǎn)量程值，LSB為ADC的最低有效位。

（2）增益誤差EG 測(cè)量

增益誤差是指轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)的實(shí)際斜率與理想斜率之間的偏差。測(cè)試方法如下：把零點(diǎn)誤差調(diào)整為0，輸入電壓從滿(mǎn)量程開(kāi)始變化，使數(shù)字輸出由11..11 變11..10，記為Vin1。反方向逐漸變化Vin ，使輸出端由11..10變?yōu)?1..11，記下輸入電壓Vin2 。則：

（3）線(xiàn)性誤差的測(cè)量

線(xiàn)性誤差指實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)與理想特性曲線(xiàn)間的最大偏差。實(shí)際測(cè)量是測(cè)試第j碼的代碼中心值，將其與理想第j碼的中心值比較，測(cè)試方法如下：①調(diào)節(jié)輸入電壓，使數(shù)字輸出端由第j碼變?yōu)榈趈 - 1碼，記為Vin1 ; ②調(diào)節(jié)輸入電壓，使數(shù)字輸出端由第j - 1碼變?yōu)榈趈碼，記為Vin2 ; ③調(diào)節(jié)輸入電壓，使數(shù)字輸出端由第j碼變?yōu)榈趈 +1碼，記為Vin3 ; ④調(diào)節(jié)輸入電壓，使數(shù)字輸出端由第j + 1碼變?yōu)榈趈碼，記為Vin4 ; ⑤求出第j碼的偏差ΔVj 為：

式中：Vj為理想狀態(tài)時(shí)ADC第j碼的標(biāo)稱(chēng)量化值; ⑥重復(fù)以上步驟，測(cè)得所有數(shù)碼的偏差，取其*值Δ︱Vj ︱的最大值即為線(xiàn)性誤差。

（4）微分線(xiàn)性誤差的測(cè)量

微分線(xiàn)性誤差是實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)的碼寬與理想碼寬之間的最大偏差。實(shí)際上，對(duì)線(xiàn)性誤差的測(cè)量和微分線(xiàn)性誤差的測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行的，找出被測(cè)點(diǎn)N 對(duì)應(yīng)的模擬電壓實(shí)測(cè)值，再找出對(duì)應(yīng)于N + 1的模擬電壓實(shí)測(cè)值，兩者之差即為實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)在該點(diǎn)的碼寬。從第j個(gè)數(shù)字值變?yōu)榈趈 + 1碼的數(shù)字值，實(shí)際對(duì)應(yīng)的模擬Vin1 輸入值之差，這個(gè)差值與理想的步長(zhǎng)1 LSB的差，然后取其最大值，就是微分線(xiàn)性誤差。即測(cè)得第j碼的實(shí)際碼寬Δj：

將Δj與1 LSB相比，取其偏差的*值最大就是所要測(cè)的微分線(xiàn)性誤差。

1. 2　動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試原理

ADC的動(dòng)態(tài)性能包括很多，如信噪比（ SNR）、信號(hào)與噪聲失真之比（ SINAD）、總諧波失真（ THD）、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（ SFDR）、雙音互調(diào)失真（ TTIMD）等。動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試方法有動(dòng)態(tài)信號(hào)疊加測(cè)試法、譜分析FFT法和直方圖法等。

（1）動(dòng)態(tài)信號(hào)疊加測(cè)試法［ 526 ］

它的基本思想是在被測(cè)A /D 轉(zhuǎn)換器模擬輸入的參考電壓上疊加一個(gè)小的交流信號(hào)，使A /D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量短時(shí)間內(nèi)在指定碼周?chē)砸欢l率來(lái)回變化，從而測(cè)試出相應(yīng)的躍變點(diǎn)和代碼中心值，并可確定出零點(diǎn)誤差、增益誤差、相對(duì)精度和微分線(xiàn)性誤差。這種方法簡(jiǎn)單易行，但是受到分辨率和速度的限制。

（2）譜分析FFT法

將滿(mǎn)量程正弦信號(hào)送到被檢的ADC中，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果存放在存儲(chǔ)器中，然后對(duì)輸出數(shù)據(jù)實(shí)施FFT運(yùn)算，從而計(jì)算出SNR、THD等參數(shù)。輸入由2個(gè)不同頻率的正弦波組成，實(shí)施FFT運(yùn)算后可以計(jì)算出IMD。在測(cè)試高精度ADC時(shí)，要求FFT的長(zhǎng)度足夠，測(cè)試頻率的選擇是FFT法應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。另外， FFT法要求采樣頻率不能是信號(hào)頻率的整數(shù)倍。FFT法是ADC動(dòng)態(tài)測(cè)試中很常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)、簡(jiǎn)便，幾乎所有ADC的失真都可在其輸出頻譜上表現(xiàn)出來(lái)。但是這種方法不能避免頻譜泄露和ADC以外的誤差源對(duì)測(cè)試帶來(lái)的影響。

（3）碼密度直方圖法

這種方法是將一個(gè)正弦波送到被測(cè)A /D轉(zhuǎn)換器中，由計(jì)算機(jī)記錄下A /D轉(zhuǎn)換器采樣點(diǎn)的數(shù)量，然后計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件進(jìn)行運(yùn)算和處理，繪出直方圖，從而定量地表示出微分線(xiàn)性誤差、失碼和增益誤差等參數(shù)。

測(cè)試系統(tǒng)組成

下面將介紹如何在BC3192V50 測(cè)試系統(tǒng)上實(shí)施ADC的測(cè)試。該系統(tǒng)是由北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)研制的VXI總線(xiàn)型數(shù)?；旌霞呻娐窚y(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)最大測(cè)試速率為50 MHz，提供16 bit分辨率、100 KHz轉(zhuǎn)換/采樣率，可由數(shù)字系統(tǒng)同步觸發(fā)的波形產(chǎn)生器、波形分析器及高速DSP處理器，具有較強(qiáng)的模擬信號(hào)測(cè)試及混合信號(hào)測(cè)試。

2. 1　測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

（1）第1層：稱(chēng)為“母機(jī)”，提供測(cè)試各類(lèi)IC所需要的最基本、最通用的硬件資源。它包括：①電源; ②精密測(cè)量單元（ PMU）及可程控繼電器矩陣; ③精密電壓表;④數(shù)字電路部分。

（2）第2層：適配器層，它是在母機(jī)大平臺(tái)的基礎(chǔ)上為某類(lèi)器件的測(cè)試提供的匹配層，為某類(lèi)IC的測(cè)試提供的專(zhuān)用測(cè)試電路。

（3）第3層：個(gè)性卡層，是為測(cè)試某類(lèi)之中的具體的某個(gè)IC而設(shè)計(jì)的小板。其中適配器是針對(duì)具體芯片而開(kāi)發(fā)的測(cè)試電路，是開(kāi)發(fā)各種芯片測(cè)試的關(guān)鍵。

2. 2　測(cè)試系統(tǒng)的軟件
包括各儀器模塊的驅(qū)動(dòng)程序、軟面板、調(diào)試程序、用戶(hù)測(cè)試程序開(kāi)發(fā)環(huán)境和測(cè)試程序庫(kù)等。

測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境配置

3. 1　單調(diào)漏碼掃描測(cè)試

2. 1節(jié)已經(jīng)講了靜態(tài)參數(shù)的測(cè)試原理，很容易就能在本測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。下面以快速單調(diào)漏碼掃描測(cè)試為例，介紹測(cè)試適配器的配置?？焖俾┐a掃描電路如圖2 所示。在圖的左側(cè)，積分電路用以產(chǎn)生單調(diào)直線(xiàn)上升或下降的電壓，電壓的上升或下降幅度大于被測(cè)DUT的模擬輸入電壓范圍;圖右側(cè)是由DUT輸出的數(shù)字量和計(jì)算器構(gòu)成的數(shù)字比較電路。在掃描之前，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)將計(jì)數(shù)器預(yù)置成DUT的模擬輸入電壓的最低值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，此處設(shè)為數(shù)字0。此時(shí)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)， S2閉合，使DUT的模擬輸入值從0開(kāi)始。積分電路的輸入電壓是由DAC產(chǎn)生的，它由程序設(shè)定以便控制積分電路的電壓上升速率，使之和被測(cè)器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間相匹配。其電壓上升速率一般為：積分電路的輸出電壓增加時(shí)，被測(cè)器件ADC的輸出從數(shù)值D →D + 1 所需要的時(shí)間，約等于10 倍的被測(cè)器件ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間。當(dāng)掃描開(kāi)始后，開(kāi)關(guān)S1 閉合， S2 斷開(kāi)，使積分電路呈線(xiàn)性?huà)呙锠顟B(tài)。被測(cè)器件被周期地觸發(fā)，使之對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換。其輸出與計(jì)數(shù)器相比較，若相等，則由數(shù)字比較電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使計(jì)數(shù)器自動(dòng)“加1”。而在掃描過(guò)程中，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)不斷地讀取計(jì)數(shù)器的數(shù)值，并做出判斷：若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器應(yīng)“加1”，而未“加1”，則判定DUT在此處有漏碼。其漏碼的位置只要讀出計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值就可以了，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器被正常地“加1”，且計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到被測(cè)器件DUT輸出的最大值，則DUT無(wú)漏碼。

3. 2　測(cè)試動(dòng)態(tài)參數(shù)的碼密度直方圖法和譜分析FFT法測(cè)試環(huán)境配置

基于測(cè)試主機(jī)提供了強(qiáng)大的DSP數(shù)字信號(hào)處理能力，這個(gè)機(jī)臺(tái)還可以使用碼密度直方圖法和譜分析FFT法測(cè)試動(dòng)態(tài)參數(shù)。其測(cè)試原理如圖3 所示，主機(jī)高精度信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)正弦波或三角波，輸入被測(cè)ADC，在FFT法測(cè)試中，ADC輸出數(shù)碼被接收器接收后，地址產(chǎn)生器順序產(chǎn)生地址，把鎖存器鎖存的數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器，然后傳送到主機(jī)，用分析軟件分析，并給出測(cè)試結(jié)果。在直方圖

實(shí)測(cè)結(jié)果

應(yīng)用BC3192V50測(cè)試系統(tǒng)對(duì)ADC進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，圖4為對(duì)一12位的逐次逼近型ADC直方圖的測(cè)試結(jié)果，其中圖4 （a）為積分非線(xiàn)性的結(jié)果，圖4 （b）為微分非線(xiàn)性的結(jié)果。積分非線(xiàn)性和微分非線(xiàn)性的測(cè)試結(jié)果都控制在0. 5 LSB之下。

小結(jié)

結(jié)合ADC的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試原理，給出了基于測(cè)試系統(tǒng)的ADC靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試的一般過(guò)程，并對(duì)此過(guò)程測(cè)試環(huán)境進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。從而用國(guó)產(chǎn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ADC的低成本、高可靠性的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試。

高精度高速ADC有效位ENOB的測(cè)量
作為連接模擬*和數(shù)字*的橋梁，ADC的性能影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。如何對(duì)ADC進(jìn)行性能測(cè)試是目前ADC研究的熱門(mén)領(lǐng)域之一。表征ADC的性能參數(shù)分為靜態(tài)性能參數(shù)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。靜態(tài)性能參數(shù)描述ADC的內(nèi)在特性，主要關(guān)注穩(wěn)定模擬輸入與對(duì)應(yīng)數(shù)字輸出的關(guān)系；動(dòng)態(tài)性能參數(shù)描述的是ADC采樣和重現(xiàn)時(shí)序變化信號(hào)的能力。用于定量表示ADC動(dòng)態(tài)性能的常用參數(shù)有6個(gè)，分別是：SINAD(信納比)、ENOB(有效位數(shù))、SNR(信噪比)、THD(總諧波失真)、THD+N(總諧波失真加噪聲)和SFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)等。在這些動(dòng)態(tài)性能參數(shù)中，ENOB是表征ADC的動(dòng)態(tài)性能的重要參數(shù)，ADC自身及外部電路產(chǎn)生的噪聲和諧波等都可以在該參數(shù)中得到反映。

測(cè)試ADC性能參數(shù)的方法主要有模擬方法和數(shù)字方法兩種。模擬方法是將ADC得到的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再使用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測(cè)試，該方法引入了DAC的噪聲和諧波，因此會(huì)影響ADC性能指標(biāo)；數(shù)字方法主要有直方圖法、正弦波擬合法和FFT法等，直方圖法測(cè)試ADC的等效輸入噪聲等性能參數(shù)，正弦波擬合法對(duì)ADC的動(dòng)態(tài)性能給出總體描述，F(xiàn)FT方法測(cè)試ADC動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。直方圖法和正弦波擬合法引入了信號(hào)源的噪聲和諧波等外圍電路干擾，并且測(cè)試的性能參數(shù)單一，相比之下，F(xiàn)FT方法可以抑制甚至消除外圍電路影響，獲得的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)也較多。重點(diǎn)討論如何采用FFT方法對(duì)ADC的ENOB進(jìn)行測(cè)試。

可以看到，相干采樣對(duì)信號(hào)源的頻率分辨率和穩(wěn)定性要求很高。在實(shí)際操作時(shí)，信號(hào)源無(wú)法滿(mǎn)足條件，需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗函數(shù)處理以減少頻譜泄漏。
加窗函數(shù)時(shí)，窗函數(shù)的選擇非常重要。理想的窗函數(shù)是主瓣寬度盡量小、過(guò)渡帶盡量陡，以使頻點(diǎn)能量更加集中。應(yīng)用較多的窗函數(shù)有矩形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗等。圖1給出了相干采樣圖形和非相干采樣圖形加窗函數(shù)后的功率譜密度。對(duì)于相干采樣，能量都集中在一個(gè)頻率點(diǎn)上，平均噪底低；對(duì)于非相干采樣，出現(xiàn)了頻譜泄漏現(xiàn)象，平均噪底被抬高，經(jīng)過(guò)加窗函數(shù)處理后，其平均噪底被壓低，能量分布得到集中，但是能量依然不如相干采樣集中。在測(cè)試ADC動(dòng)態(tài)性能參數(shù)時(shí)，選擇一個(gè)合適的窗函數(shù)很難，不同的窗函數(shù)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果也不一樣。

3 使用FFT測(cè)試ADS5400
在對(duì)ADC的ENOB進(jìn)行測(cè)試時(shí)，會(huì)引入一定量的噪聲和諧波，主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是ADC自身的噪聲和諧波，這是ADC的固有特性；另一類(lèi)是外圍電路引入的噪聲和諧波，這些外圍設(shè)備包括信號(hào)源、時(shí)鐘源等。測(cè)試其動(dòng)態(tài)性能參數(shù)時(shí)，需要抑制或消除外圍電路引入的噪聲和諧波。本文采用了參考文獻(xiàn)[8]提到的ENOB測(cè)試方法，利用式(1)得到ADC的ENOB。該方法可以有效抑制信號(hào)源的干擾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ADC的ENOB的客觀(guān)測(cè)量[8-9]。

采用上述步驟對(duì)TI公司的ADS5400進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量平臺(tái)如圖2所示。ADS5400是一款高速高分辨率ADC，采樣率范圍100 MS/s～1 000 MS/s，分辨率為12 bit。

最終測(cè)得，在輸入信號(hào)頻率為1.123 MHz、輸入幅度滿(mǎn)量程時(shí)，ADS5400的SINAD=56.66 dB，有效位ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。對(duì)比ADS5400的Datasheet給出的ENOB典型值ENOB=9.34 bit(fin=125 MHz)可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的FFT方法很好地抑制了信號(hào)源以及其他外圍電路的干擾，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)ADC的ENOB的準(zhǔn)確測(cè)量。
對(duì)ADC動(dòng)態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要注意抑制或消除ADC自身及外圍電路的噪聲和諧波引入的干擾。

此種改進(jìn)的FFT方法用于高速高分辨率ADC的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試，注意到FFT分析采樣數(shù)據(jù)時(shí)的頻譜泄漏問(wèn)題，給出了相干采樣和加窗函數(shù)等解決方案。采用改進(jìn)的FFT方法對(duì)TI公司的ADS5400進(jìn)行測(cè)試，在采樣率為400 MS/s的情況下，獲得了ADS5400的ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。同時(shí)，驗(yàn)證了使用FFT方法測(cè)量高速高分辨率ADC的有效位的可行性，該方法可以廣泛應(yīng)用在A(yíng)DC的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試中。

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