1、前言
隨著數(shù)字信號處理技術、數(shù)字電路工作速度和系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高，對高速、高精度的ADC指標提出了更高的要求。比如移動通信、圖像采集等應用領域中，一方面要求ADC有高的采樣率以采集高帶寬的輸入信號，一方面又要有高的位數(shù)以分辨細微的變化。因此，保證ADC在高速采樣情況下的精度是一個很關鍵的問題。ADC性能好壞直接影響整個系統(tǒng)性能的好壞，ADC的性能測試變得十分重要。
目前的實時信號處理機要求ADC盡量靠近視頻、中頻甚至射頻，以獲取盡可能多的目標信息。因而，ADC的性能好壞直接影響整個系統(tǒng)指標的高低和性能好壞，從而使得ADC的性能測試變得十分重要。
ADC芯片的性能測試是由芯片生產廠家完成的，需要借助昂貴的半導體測試儀器， 但是對于板級和系統(tǒng)級的設計人員來說，更重要的是如何驗證芯片在板級或系統(tǒng)級應用上的真正性能指標。
ADC靜態(tài)測試的方法已研究多年，國際上已有標準的測試方法，但靜態(tài)測試不能反映ADC的動態(tài)特性，因此有必要進行動態(tài)測試。
2、ADC的主要參數(shù)
ADC典型接口如下圖所示，
包括：
模擬輸入部分；
編程控制接口，如SPI；
采樣時鐘接口；
電源輸入接口。
ADC靜態(tài)指標：
微分非線性DNL
積分非線性 INL
偏置誤差
滿刻度增益誤差
ADC動態(tài)指標：
總諧波失真 THD
信噪比和失真 SINAD
有效位數(shù) ENOB
信噪比 SNR
無雜散動態(tài)范圍 SFDR
3、ADC測試的挑戰(zhàn)及R&S方案
ADC測試可分為靜態(tài)測試與動態(tài)測試，靜態(tài)測試的方法已研究多年，國際上已有標準的測試方法，但靜態(tài)測試不能反映ADC的動態(tài)特性，因此有必要進行動態(tài)測試。
挑戰(zhàn)主要分為以下5點：
1. 供電：
為確保系統(tǒng)正常運行，需流暢的電壓為ADC和時鐘供電。在現(xiàn)如今的ADC設計中，通常使用低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器來提高電壓的穩(wěn)定性。
要求電源低紋波噪聲和低電壓偏差。
2. 電源完整性：
紋波噪聲和串擾等電源完整性問題會嚴重影響ADC性能。
要求示波器及探頭具備高靈敏度、高偏置與強大的FFT多域測量能力。
3. 時鐘替代品：
時鐘性能對ADC十分關鍵。
要求時鐘替代品相位噪聲和抖動性能卓越，頻譜純度高，功率高
4. 時鐘驗證：
時鐘抖動和頻譜純度會直接影響ADC的動態(tài)范圍。
要求相位噪聲分析儀靈敏度高、可測附加相位噪聲、可進行頻譜測量。
5. 性能特性測試：
ADC性能參數(shù)直接影響系統(tǒng)整體性能。
要求測試分析儀頻譜純度高、帶寬和EVM性能出眾、觸發(fā)精度高、解碼功能速度快眼圖和抖動分析功能全面。
針對以上挑戰(zhàn)，羅德與施瓦茨提供的測試方案及優(yōu)點如下：
1. 供電方案：
采用R&S?NGM、R&S?NGL與HMP系列高性能/專業(yè)電源可向ADC傳輸流暢、穩(wěn)定且精確的直流電源，該方案的優(yōu)點包括：
最高四個隔離通道；高精度，高瞬態(tài)性能
低紋波噪聲；任意波，高采樣Data logger
2. 電源完整性方案：
采用R&S?RTO、RTE系列示波器與RT-ZPR電源軌探頭測量電源完整性，該方案的優(yōu)點包括：
RT-ZPR探頭1:1衰減；4GHz帶寬；超高靈敏度
高精度直流電壓表；偏置范圍±60V
RTO、RTE示波器；分辨率16位；百萬波形/秒捕獲率
硬件準實時FFT；時域、頻域同時分析
掃碼下載R&S示波器產品解決方案
3. 時鐘替代品方案：
采用R&S?SMA100B和R&S?SMB100A信號源提供處于不同性能范圍的時鐘替代品，該方案的優(yōu)點包括：
SMA100B頻率20GHz；最佳抖動/相噪性能
全無損耗電子衰減器；不同性能級別多個選項
R&S?SMB100A頻率40GHz；在超低時鐘頻率下具有出色的性能
高輸出功率；補償損耗；SMAB-B29時鐘源次級輸出
掃碼下載R&S信號源產品解決方案
4. 時鐘驗證方案：
R&S提供行業(yè)領先的解決方案組合，可在所有性能范圍內進行時鐘驗證：
方案1：采用R&S?FSWP相位噪聲分析儀和VCO測試儀進行時鐘驗證；
方案2：采用R&S?FSW、R&S?FSVA、R&S?FSV和R&S?FPS頻譜分析儀及其相位噪聲測量功能進行時鐘驗證。
該組方案的優(yōu)點包括：
市場領先的互相關相位噪聲和抖動性能靈敏度；超快相位噪聲測量
對隨機和周期性抖動進行特性測量；調幅噪聲和相位噪聲同步測量
5. 性能特性測試方案：
采用R&S?SMA100B、R&S?SMBV100A和R&S?SMW200A進行性能特性測試，該方案的優(yōu)點包括：
SMA100B提供超級純凈的模擬輸入信號
SMBV100A或SMW200A提供最高2GHz帶寬的調制輸入
4、ADC參數(shù)測試方案
傳統(tǒng)方案是給ADC輸入端口一個理想模擬信號，給時鐘端口一個理想采樣信號，以及相應的直流電源、濾波器等附件。然后對ADC轉換以后的數(shù)據(jù)進行采集和分析。信號源的信號質量要超過待測ADC。ADC的性能測試需要多臺高性能模擬信號源的配合并用軟件對測結果進行分析。
4.1 測試方案1：
測試系統(tǒng)包括四臺儀器：一臺信號源SMA100B作為產生高精度、高純凈度的正弦波給待測ADC作為源輸入，ADC在另外一臺信號源SMA100B提供的采樣時鐘的控制下對此正弦波進行采樣，變換后的結果用軟件或者RTO示波器邏輯分析儀選件采集下來。
兩臺SMA100B信號源把10MHz的參考頻率同步起來，這樣兩臺信號源的相位噪聲在環(huán)路帶寬內（1Hz-100Hz）具有相關性，不會影響測試結果。
SMA100B信號源的相位噪聲極低，產生的正弦波的質量極高，如下圖的SSB指標所示，1GHz頻率的信號的相位噪聲可低至-155dBc（10k offset）。
時鐘的抖動對于測量結果的影響非常大，測試中需要低jitter信號發(fā)生器來產生ADC的采樣時鐘。SMA100B作為時鐘的提供源，其jitter指標也相當優(yōu)異，可以控制在fs量級。
ADC轉換后的數(shù)字結果通過電腦軟件或者示波器邏輯分析選件采集下來進行分析。通常廠商提供某款ADC的評估板，該評估板上的USB接口可以將結果傳回電腦軟件進行分析。如果采用示波器邏輯分析選件，該選件工作在狀態(tài)采樣模式，需要使用的通道數(shù)取決于ADC的位數(shù)，狀態(tài)采樣率取決于ADC的采樣率，存儲深度取決于采樣率和要分析的頻率分辨率。
4.2 測試方案2：
如果ADC的應用不做降采樣應用（IF數(shù)字下變頻），可采用如下方案節(jié)省成本。R&S的模擬信號源SMA100B是可同時提供模擬信號輸出和采樣時鐘輸出的單臺儀表，可節(jié)約一臺信號源。
5、ADC測試典型結果分析
5.1 輸入信號質量測試
使用示波器對輸入信號做FFT分析，了解信號在不同階段的性能，包括：
噪聲電平
諧波性能/雜散
干擾源等
RTO示波器的優(yōu)勢：
高動態(tài)范圍，低噪聲
硬件準實時FFT
測量分析如下圖所示：
5.2 輸出信號質量測試與分析
將ADC輸出通過探頭連接到示波器數(shù)字輸入通道，配置各通道的總線定義，測量并驗證輸出數(shù)據(jù)的正確性，分析信號質量。
RTO示波器優(yōu)勢：
16通道；最高400MHz開關速率
5GSa/s采樣率；200Msa/CH存儲
模擬總線顯示“analog bus”
設置截圖如下：
用Analog Bus顯示分析輸出信號質量。傳統(tǒng)的總線解碼為組合總線顯示，是將一定時間的數(shù)據(jù)匯總顯示。而RTO創(chuàng)新的模擬總線顯示Analog bus顯示總線數(shù)據(jù)代表的模擬波形，這樣 輸入和輸出信號更容易對照比較。如下圖所示：
分析ADC輸出信號（可通過MATLAB分析）：保存模擬總線波形--> 執(zhí)行FFT和對應的頻譜測量（FFT需要重新采樣加強定時準確度） --> 將輸入和輸出信號關聯(lián)測試ADC的性能。
對輸出信號進行調試。模擬總線顯示有助于發(fā)現(xiàn)信號畸變，如下圖：
5.3 編程接口測試
使用示波器數(shù)字通道連接SPI接口，使用SPI協(xié)議解碼，設置觸發(fā)于SPI “幀起始”。測量SPI指令下達到ADC工作的延遲時間。
RTO示波器的優(yōu)勢：
具有常用低速串行總線的觸發(fā)和解碼功能
模擬信號、數(shù)字信號和總線解碼的時間相關測量
測量結果如下圖：
6、總結
綜上所述，面對突飛猛進的ADC需求與ADC技術，羅德與施瓦茨為您提供最優(yōu)測量儀器與解決方案，助您獲得簡便的測試過程與精確的測試結果。
關于羅德與施瓦茨
羅德與施瓦茨公司作為一家獨立的國際性科技公司，為專業(yè)用戶開發(fā)、生產以及銷售創(chuàng)新的通信、信息和安全產品。公司主要業(yè)務領域包括測試與測量、廣播電視與媒體、航空航天|國防|安全、網絡信息安全并覆蓋多個不同行業(yè)及政府市場分支。截止到2019年6月30日，羅德與施瓦茨公司員工人數(shù)約為12,000名。公司總部設在德國慕尼黑。全球范圍內，公司在70多個國家設有子公司并在亞洲和美國設有區(qū)域中心。