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高速ADC的性能測(cè)試
摘要：針對(duì)某信號(hào)處理機(jī)中的高速A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的應(yīng)用，利用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的硬件平臺(tái)，采用純正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)，用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制采樣，并將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行FFT變換，進(jìn)而來(lái)分析ADC的信噪比及有效位數(shù)。該測(cè)試方法具有全數(shù)字、可編程、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，是較為先進(jìn)的測(cè)試方法。關(guān)鍵詞：AD轉(zhuǎn)換器 信噪比 有效位數(shù) FFT DSP
目前的實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)要求ADC盡量靠近視頻、中頻甚至射頻，以獲取盡可能多的目標(biāo)信息。因而，ADC的性能好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的高低和性能好壞，從而使得ADC的性能測(cè)試變得十分重要。
ADC靜態(tài)測(cè)試的方法已研究多年，國(guó)際上已有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，但靜態(tài)測(cè)試不能反映ADC的動(dòng)態(tài)特性，因此有必要研究動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。動(dòng)態(tài)特性包括很多，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。本文討論了利用數(shù)字方法對(duì)ADC的信噪比進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算出有效位數(shù)，并通過(guò)測(cè)試證明了提高采樣頻率能改善SNR,相當(dāng)于提高了ADC的有效位數(shù)。在本系統(tǒng)中使用了AD9224,它是12bit、40MSPS、單5V供電的流水線型低功耗ADC.
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1 測(cè)試系統(tǒng)原理
傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法是用高精度DAC來(lái)重建ADC輸出信號(hào)，然后用模擬方法分析（如圖1所示）。但這樣的測(cè)試方法復(fù)雜、精度低、能測(cè)試的指標(biāo)有限。國(guó)外從20世紀(jì)70年代起研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)ADC進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，主要方法有正弦波擬合法[1]、FFT法[2——3]、直方圖法[4]等，而國(guó)內(nèi)這方面的研究則剛剛起步。
本文介紹的測(cè)試系統(tǒng)是利用作者開(kāi)發(fā)的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)中的DSP及其仿真系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理及顯示，從而構(gòu)成可編程、數(shù)字化的ADC性能測(cè)試系統(tǒng)。
在該信號(hào)處理機(jī)中，首先采用兩路ADC進(jìn)行I、Q正交采樣；然后用DSP并行系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的FFT運(yùn)算、求模以及恒虛警處理；最后將結(jié)果通過(guò)并口傳給筆記本電腦進(jìn)行顯示。實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)原理框圖如圖2所示。其中，DSP芯片是ADSP21060,主頻為40MHz.它可以通過(guò)JTAG接口與PC機(jī)相連。PC機(jī)上運(yùn)行DSP的在線仿真軟件，能夠?qū)崟r(shí)地控制DSP的運(yùn)行，并將處理結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖形的方式顯示或存儲(chǔ)起來(lái)。
前面講過(guò)，過(guò)去對(duì)ADC進(jìn)行測(cè)試是用模擬方法（如圖1），并且需要高性能的D/A轉(zhuǎn)換器�，F(xiàn)在則利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的測(cè)試�，F(xiàn)取處理機(jī)中的一路ADC搭建測(cè)試系統(tǒng)，如圖3所示。
在本測(cè)試系統(tǒng)中，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生單頻正弦信號(hào)，f=1.8625MHz.采樣頻率fs由可編程邏輯器件（EPLD）產(chǎn)生，可產(chǎn)生的采樣時(shí)鐘頻率為3.725MHz和7.45MHz兩種，可對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行整數(shù)倍采樣（2倍和4倍）。這里將正弦信號(hào)采樣數(shù)據(jù)取為256個(gè)來(lái)進(jìn)行處理。
2 ADC動(dòng)態(tài)指標(biāo)
2.1 信噪比
對(duì)于理想的ADC來(lái)說(shuō)，在奈奎斯特帶寬內(nèi)的噪聲電壓有效值可表示為q/根號(hào)12.q表示最低位碼的權(quán)值，即ADC的量化電壓，該值與輸入信號(hào)的幅度和頻率無(wú)關(guān)。對(duì)于一個(gè)滿度的正弦波輸入信號(hào)，理論上的信噪比（SNR）可表示為：
SNR=6.02N+1.76dB+10lg（fs/2B） （1）
式中，N是ADC的位數(shù)，fs是采樣頻率，B是模擬輸入信號(hào)的帶寬。上式右邊第三項(xiàng)表示增加采樣頻率（過(guò)采樣）可提高信噪比。
2.2 有效位數(shù)
實(shí)際上ADC的誤差表現(xiàn)為靜態(tài)及動(dòng)態(tài)非線性誤差，并且動(dòng)態(tài)誤差隨輸入信號(hào)壓擺率的增加而變大。因此實(shí)際測(cè)量的信噪比要比理論上的小一些。計(jì)算有效位數(shù)（ENOB）可以從對(duì)方程（1）的N求解得到。
ENOB（N）=6.02N+1.76dB+10lg（fs/2B） （2）
采用DET技術(shù)時(shí)，噪聲既包括量化噪聲，也包括采樣過(guò)程中奈奎斯特帶寬外的諧波與帶寬內(nèi)信號(hào)混迭產(chǎn)生的噪聲。另外，因?yàn)檎倚盘?hào)容易產(chǎn)生和便于數(shù)學(xué)分析，所以在評(píng)估ADC的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，它是最常用的信號(hào)。
3 用FFT法測(cè)試ADC信
噪比及計(jì)算有效位數(shù)
FFT是從頻域測(cè)試ADC信噪比的方法，步驟如下：
�。�1）用高精度正弦波輸入被測(cè)ADC,正弦波頻率f=1.8625MHz,采樣頻率分別為fs=3.725MHz和fs=7.45MHz?熏正弦波頻率小于采樣頻率的一半，保證不會(huì)發(fā)生混疊。用DSP順序記錄ADC輸出數(shù)據(jù)。
�。�2）接著用DSP進(jìn)行FFT運(yùn)算。當(dāng)數(shù)據(jù)記錄不是包含整數(shù)個(gè)信號(hào)周期時(shí)，要加窗函數(shù)來(lái)抑制頻譜泄漏�？蛇x擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，使信號(hào)能量集中在主瓣內(nèi)，主瓣外能量可忽略。
�。�3）根據(jù)FFT運(yùn)算的結(jié)果，首先計(jì)算信號(hào)的有效值。然后取基頻和其兩旁適當(dāng)數(shù)目的采樣值，求它們的平方和的平方根。所需采樣的數(shù)目由已知的ADC的分辨率決定。其余的頻率采樣值的平方和的平方根作為噪聲的有效值，它包括量化噪聲、ADC的諧波噪聲、超越噪聲及FFT的舍入誤差。有了這兩個(gè)有效值就能計(jì)算ADC的信噪比（SNR）：
SNR=20lg（Vs/Vn） （3）
其中，Vs表示信號(hào)電平的有效值，Vn表示噪聲電平的有效值。
�。�4）計(jì)算出信噪比后（噪聲包括高次諧波失真、雜散波失真和寬帶噪聲），根據(jù)公式（2）即可計(jì)算出ADC的有效位數(shù)。
4 測(cè)試結(jié)果
利用上述測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試參數(shù)對(duì)ADC采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，并按上述算法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，在fs=2f時(shí)，SNR=67.6dB,根據(jù)公式（2）得出有效位數(shù)為：
ENOB（N）=[SNR（實(shí)際）-1.7dB-10lg（fs/2B）]/6.02
=（67.6-1.7）/6.02=10.95bit
在fs=4f時(shí)，采樣頻率提高一倍，SNR=70.3dB,提高了2.7dB左右。理論上，采樣率提高一倍時(shí)，由公式（1）得：
ΔSNR=10lg（fs′/2B）-10lg（fs/2B）=10lg2-10lg1=3dB
即采樣率提高一倍，信噪比提高3dB,相當(dāng)于ADC有效位數(shù)提高半位�？梢�(jiàn)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果跟理論值基本吻合。以2倍速采樣頻率和4倍速采樣頻率采樣后作FFT的結(jié)果如圖4和圖5所示。
對(duì)于高速ADC來(lái)說(shuō)，其動(dòng)態(tài)特性格外重要，因而精確地測(cè)試ADC的動(dòng)態(tài)指標(biāo)成為非常有意義的工作。對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)而言，ADC模塊單元的大動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比等顯得尤為重要，這些性能將直接影響到后續(xù)的信號(hào)處理和檢測(cè)。因此利用實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)本身的硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的測(cè)試是一種高效、高精度的方法。
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