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高速ADC的性能測試
摘要：針對某信號處理機(jī)中的高速A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的應(yīng)用，利用數(shù)字信號處理機(jī)的硬件平臺，采用純正弦信號作為輸入信號，用數(shù)字信號處理器（DSP）控制采樣，并將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲，進(jìn)行FFT變換，進(jìn)而來分析ADC的信噪比及有效位數(shù)。該測試方法具有全數(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
目前的實時信號處理機(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系統(tǒng)指標(biāo)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靜態(tài)測試的方法已研究多年，國際上已有標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，但靜態(tài)測試不能反映ADC的動態(tài)特性，因此有必要研究動態(tài)測試方法。動態(tài)特性包括很多，如信噪比（SNR）、信號與噪聲+失真之比（SINAD）、總諧波失真（THD）、無雜散動態(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ADC的信噪比進(jìn)行測試，計算出有效位數(shù)，并通過測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 測試系統(tǒng)原理
傳統(tǒng)的動態(tài)測試方法是用高精度DAC來重建ADC輸出信號，然后用模擬方法分析（如圖1所示）。但這樣的測試方法復(fù)雜、精度低、能測試的指標(biāo)有限。國外從20世紀(jì)70年代起研究用數(shù)字信號處理技術(shù)對ADC進(jìn)行動態(tài)測試，主要方法有正弦波擬合法[1]、FFT法[2——3]、直方圖法[4]等，而國內(nèi)這方面的研究則剛剛起步。
本文介紹的測試系統(tǒng)是利用作者開發(fā)的數(shù)字信號處理機(jī)中的DSP及其仿真系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理及顯示，從而構(gòu)成可編程、數(shù)字化的ADC性能測試系統(tǒng)。
在該信號處理機(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)果通過并口傳給筆記本電腦進(jìn)行顯示。實時信號處理機(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起來。
前面講過，過去對ADC進(jìn)行測試是用模擬方法（如圖1），并且需要高性能的D/A轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在則利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理，可以實現(xiàn)數(shù)字化的測試�，F(xiàn)取處理機(jī)中的一路ADC搭建測試系統(tǒng)，如圖3所示。
在本測試系統(tǒng)中，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生單頻正弦信號，f=1.8625MHz.采樣頻率fs由可編程邏輯器件（EPLD）產(chǎn)生，可產(chǎn)生的采樣時鐘頻率為3.725MHz和7.45MHz兩種，可對正弦信號進(jìn)行整數(shù)倍采樣（2倍和4倍）。這里將正弦信號采樣數(shù)據(jù)取為256個來進(jìn)行處理。
2 ADC動態(tài)指標(biāo)
2.1 信噪比
對于理想的ADC來說，在奈奎斯特帶寬內(nèi)的噪聲電壓有效值可表示為q/根號12.q表示最低位碼的權(quán)值，即ADC的量化電壓，該值與輸入信號的幅度和頻率無關(guān)。對于一個滿度的正弦波輸入信號，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是模擬輸入信號的帶寬。上式右邊第三項表示增加采樣頻率（過采樣）可提高信噪比。
2.2 有效位數(shù)
實際上ADC的誤差表現(xiàn)為靜態(tài)及動態(tài)非線性誤差，并且動態(tài)誤差隨輸入信號壓擺率的增加而變大。因此實際測量的信噪比要比理論上的小一些。計算有效位數(shù)（ENOB）可以從對方程（1）的N求解得到。
ENOB（N）=6.02N+1.76dB+10lg（fs/2B） （2）
采用DET技術(shù)時，噪聲既包括量化噪聲，也包括采樣過程中奈奎斯特帶寬外的諧波與帶寬內(nèi)信號混迭產(chǎn)生的噪聲。另外，因為正弦信號容易產(chǎn)生和便于數(shù)學(xué)分析，所以在評估ADC的動態(tài)性能時，它是最常用的信號。
3 用FFT法測試ADC信
噪比及計算有效位數(shù)
FFT是從頻域測試ADC信噪比的方法，步驟如下：
�。�1）用高精度正弦波輸入被測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)個信號周期時，要加窗函數(shù)來抑制頻譜泄漏�？蛇x擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，使信號能量集中在主瓣內(nèi)，主瓣外能量可忽略。
�。�3）根據(jù)FFT運(yùn)算的結(jié)果，首先計算信號的有效值。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。有了這兩個有效值就能計算ADC的信噪比（SNR）：
SNR=20lg（Vs/Vn） （3）
其中，Vs表示信號電平的有效值，Vn表示噪聲電平的有效值。
�。�4）計算出信噪比后（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）即可計算出ADC的有效位數(shù)。
4 測試結(jié)果
利用上述測試系統(tǒng)和測試參數(shù)對ADC采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，并按上述算法進(jìn)行計算，結(jié)果表明，在fs=2f時，SNR=67.6dB,根據(jù)公式（2）得出有效位數(shù)為：
ENOB（N）=[SNR（實際）-1.7dB-10lg（fs/2B）]/6.02
=（67.6-1.7）/6.02=10.95bit
在fs=4f時，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，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�？梢妼嶋H測試數(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。
對于高速ADC來說，其動態(tài)特性格外重要，因而精確地測試ADC的動態(tài)指標(biāo)成為非常有意義的工作。對于實時信號處理機(jī)而言，ADC模塊單元的大動態(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)的信號處理和檢測。因此利用實時信號處理機(jī)本身的硬件平臺，通過軟件編程來實現(xiàn)對ADC的測試是一種高效、高精度的方法。
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