高速ADC的動態性能參數和基于DSP技術的測試方法研究

高速ADC是信號處理機的不可欠缺的組成部分，其性能的好壞對信號處理系統的整體性能也至關重要。通常ADC的技術參數是由生產廠商提供，可作為設計的重要依據，但是在電路板上形成的ADC模塊的性能如何，還與ADC的周邊電路或輸入信號密切相關，比如參考電壓源、取樣時鐘、輸入運算放大器以及電源，地線和信號線上的干擾等。因此有必要在線評估高速ADC模塊的動態性能，分析其對信號處理機系統性能的影響。本文介紹了一種在信號處理機實際設備上在線評估高速ADC模塊的動態性能的的方法。該方法利用信號處理機本身的數據采集能力，通過在模擬輸入端增加標準測試信號，經過AD轉換后，由信號處理機的DSP讀入轉換結果，通過DSP仿真系統將數據讀入PC機，然后利用MATLAB軟件對數據進行頻譜分析，最終計算出SNR，SENAD等幾項動態參數。本文還給出了具體測試結果及其分析，并對高速ADC模塊設計給出了一些意見。

一、高速ADC的動態性能參數

評估ADC動態性能的主要參數定義如下：

1、信噪比（dB）

其中Asignal為滿幅度正弦模擬輸入信號的均方根值，Anoise為所有噪聲源之和的均方根。

2、信噪失真比（SINAD）

其中AHarmonic為各次諧波（除直流外）的頻率分量的均方根之和。

3、有效比特位數（ENOB）

其中N是轉換電路的量化比特位數，A測量誤差下為測量噪聲平均值，A測量誤差為量化誤差平均值。

4、總諧波失真其中，AF_IN為輸入信號基波的均方根值，AHD_2下至AHD_N為采樣所得信號頻域中2次到N次諧波分量的均方根值。

5、無雜散動態范圍其中，AF_IN為輸入信號基波分量的均方根值，AHD_MAX為采樣波形頻譜中最大失真諧波分量或最大雜散信號的均方根值。

通過這些參數的定義，可以看出高速ADC電路的大部分動態參數能在頻域上表現出來；所以對高速ADC電路進行頻域的測試可以獲得相應的動態性能參數。

二、傳統的測試方法

傳統測試中，利用一個精度比被測模數轉換電路精度高2位以上的DAC產生一個單頻正弦波作為被測模數轉換電路的測試信號，在被測電路的后端也接一個DAC將波形恢復。如圖1。

這種測試結構簡單，直觀。但是在工程實踐中為了評估模數電路必須增加一塊DAC電路，會與實際模塊連接困難和引入DAC的誤差。因此在線評估不好采用。

三、基于DSP技術的測試方法

利用DSP技術可構成簡便且準確的測試結構，在ADC電路的后端利用數字信號處理器將輸出數據采集保存起來，然后利用DSP仿真設備的JTAG接口將數據傳送到PC機中，利用Matlab軟件進行相關頻域處理，以獲得高速模數轉換電路的實際轉換特性參數。結構如圖2所示。

在這里用基于DSP的頻域分析工具替代了模擬的測試儀表，可以提供更高精度及可重復觀察的測試結果。將數據采集到PC機中后，在Matlab這一平臺中將時域的離散信號波形通過DFT（FFT）算法轉換到頻域。在頻域中根據定義求出相關的動態性能參數。在輸入信號沒有失真的理想情況下，輸入模擬量為正弦波時，輸出頻譜應為頻率等于輸入頻率的沖激函數圖形。事實上，ADC的量化誤差，轉換器內部各種噪聲，甚至包括測試系統噪聲，都會在頻譜圖上噪聲背景中體現出來?；贔FT信號分析的基本函數就是FFT本身和功率譜。FFT 算法中假設離散時間序列可以精確地在整個時域進行周期延拓，所有包含該離散時間序列的信號為周期函數，周期與時間序列的長度相關。然而如果時間序列的長度不是信號周期的整數倍，即，就會發生頻譜泄漏。這里是輸入信號頻率；Fsample是采樣頻率；Nwndows窗函數長度；Nrecord采樣信號數據長度。在測試中一般選用采用漢寧（Hanning）窗函數，以減少頻譜泄漏。

求出采樣輸出信號的頻譜后，要得到相關測試參數值還得確定信號基頻及各次諧波的位置。下面給出頻率分量及其鏡像的關系如圖3所示。設Fo為位于奈奎斯特區間（DC～Fs/2）的一個頻率。又令Fk為頻帶中Fo的鏡像，又稱Fo為的第k次鏡像。

圖3 頻率分量及其鏡像分量關系示意圖

所有鏡像間的關系可如下表示：

從上面的關系可看出，對于奇偶次鏡像分量而言，都能在奈奎斯特區間內找到它們對應的頻率分量，也就是說對于任意的超出奈奎斯特區間的諧波分量都可以在奈奎斯特區間內找到其鏡像分量。如果，諧波位于奈奎斯特區間內，可直接計算得到諧波位置；要是諧波超出奈奎斯特區間，則要估計上面的鏡像方法來獲得諧波的數據。

四、基于信號處理機的ADC模塊測試

我們對信號處理機的電路板的高速ADC模塊進行了在線測試。圖4中虛框所包圍的部分是信號處理機的模數轉換電路。DSP21065L將采集到的數據存儲在內部存儲區中，采集完畢后通過DSP仿真系統的JTAG接口將數據傳送到PC中，最后在Matlab中進行相關的數字信號處理，根據處理結果對轉換電路的轉換性能做相應的評估分析。根據所獲得的模數轉換電路的性能指標，可以分析轉換電路對信號處理機的影響。

圖中AD轉換芯片AD9225為12位精度，最高轉換速率為25MSPS，芯片內部帶有采樣保持電路和參考電壓源?；拘阅苋缦拢?/p>

lSNR71dB（finput=2.5MHz）

lSINAD 70.7dB（finput=2.5MHz）

lTHD –82Db（finput=2.5MHz）

精度INL：DNL：

4.1部分測試數據

測試信號為滿幅度正弦波，每次采樣8192點數據，做8192點FFT，得到采樣數據頻譜。在不同的采樣頻率和信號頻率下，分別做5次實驗，取平均值。

4.2 測試數據分析

12位精度的轉換電路，其理論信噪比應達74dB，而實際測試中只有60～70dB。說明有除量化噪聲之外的別的噪聲源。實驗中發現如將轉換電路中的模擬電源和數字電源采用同一電源供電，則信噪比要比二者分別供電時減少大約5～6dB。改善接地的狀況也能有效的提高轉換動態性能，例如，在接地情況不佳的情況下5MHz采樣1.54MHz時的信噪比只有59.7dB，而在改善接地狀況后提高到了61.64dB，提高了1.94dB。實驗數據顯示諧波失真較為嚴重，我們分析主要原因是信號源純度偏低。測試的結果接近AD9225技術手冊給出的參數，這說明了該方法的可信度。從SNR值來看，由于測試針對整個高速模數轉換電路，得到的結果反映的是整個電路的動態轉換特性。由于各輔助電路的影響，使得轉換電路的性能低于器件手冊給出的參數。根據測試結果分析，對高速模數轉換電路的設計提出下列參考意見：

l轉換器件后端與數據總線間采用數據所鎖存器進行隔離驅動，以減少后端數據總線上的噪聲串入模擬電路，降低轉換性能。

l模擬電源和數字電源應作隔離處理，以減少模擬端的噪聲。

l選用合適的運放減少諧波失真。

l模擬輸入信號線應盡量寬，減少信號失真。

l器件選型時。所選器件的轉換精度應高于所需精度要求的2個以上有效位數。

l所選ADC芯片的轉換速率應大大高于取樣的速度。

五、小結

本文介紹的對信號處理機高速ADC模塊動態性能在線評估方法具有簡單，可信度高，便于工程上采用的特點。對信號處理機系統性能的評估與分析都有很好的參考價值。

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