《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高速高分辨率ADC有效位測(cè)試方法研究
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第5期
李海濤，李斌康，阮林波，田 耕，田曉霞，渠紅光，王 晶，張雁霞
西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710024
摘要： 介紹了ADC的有效位計(jì)算公式，分析了ADC的性能參數(shù)測(cè)試方法，給出了ADC的有效位測(cè)試解決方案。對(duì)FFT方法在ADC性能測(cè)試中的應(yīng)用做了深入探討，包括頻譜泄露、相干采樣和加窗函數(shù)等。采用一種改進(jìn)的FFT方法對(duì)TI公司的ADS5400進(jìn)行有效位測(cè)試，得到其在400 MS/s采樣率的有效位ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。
中國(guó)分類號(hào)： TM930.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)05-0041-03
Research on the ENOB test methods of high-speed high-resolution ADC
Li Haitao，Li Binkang，Ruan Linbo，Tian Geng，Tian Xiaoxia，Qu Hongguang，Wang Jing，Zhang Yanxia
State Key Lab of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi′an 710024，China
Abstract： The performance parameters of ADC, especially the ENOB, are introduced in the paper. After the discussion of several test methods of ADC performance parameter, a test solution for ENOB is put forward. The application of the FFT method in the ENOB test is analyzed, including spectral leakage, coherent sampling and windowing functions, etc. An improved FFT methods is used in the ADC ENOB test, and the ENOB of ADS5400 working at 400 MS/s is 9.12 bit(fin=1.123 MHz).
Key words : ADC ENOB；FFT；ADS5400

    作為連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁，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[1]，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[2]。本文重點(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，一類是ADC自身的噪聲和諧波，這是ADC的固有特性；另一類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。
    本文介紹了一種改進(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ADC的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試中。
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