高精度ADC測試技術(shù)研究

朱 江

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

高精度ADC測試技術(shù)研究

朱 江

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

隨著高性能ADC器件的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的ADC器件測試評價方法已經(jīng)越來越不適用于高性能ADC器件。為從工程上實現(xiàn)高性能ADC器件的測試評價，提供了一種高性能ADC器件關(guān)鍵參數(shù)評價的新算法，同時詳細(xì)地分析新算法的原理并且論證了新算法的正確性。目前該算法已經(jīng)大量地應(yīng)用到高性能ADC器件的實際測試評價中去，解決了高性能ADC器件難以評價的問題。

高精度ADC；微分非線性；積分非線性

1 引言

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和數(shù)字電路工作速度的不斷提高，以及對系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高，很多系統(tǒng)中應(yīng)用的ADC/DAC器件的性能指標(biāo)也變得越來越高。當(dāng)有效位數(shù)要求超過12位時即進入了高精度ADC/DAC的范疇，傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)漸漸不適用于這些高性能ADC/DAC器件的測試評價。因此研究高精度的ADC/DAC的測試原理和尋找新的測試方法就具有很重要的意義。本文重點介紹一種應(yīng)用于高精度ADC參數(shù)測試的新算法。

2 ADC主要參數(shù)及測試原理介紹

從測試角度可以將ADC器件看作一個黑箱子，它僅有兩種或三種外部的輸入或輸出：

（1）模擬信號輸入部分：ADC器件的輸入一般采用兩種形式，即單端輸入和差分輸入，有些器件通過配置同時支持雙端和單端應(yīng)用。差分輸入的抗干擾能力高于單端輸入，雙端應(yīng)用的性能指標(biāo)也優(yōu)于單端應(yīng)用。

（2）數(shù)字信號輸出部分：也分為兩種接口形式，串行輸出和并行輸出，大部份采用CMOS電平，但在數(shù)據(jù)傳輸速率很高時，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕娐窌捎貌⑿蠰VDS差分模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。目前在速度越來越高且簡化接口的趨勢下，已經(jīng)有高速ADC/DAC電路采用高速串行差分模式進行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）控制部分：ADC器件的控制部分主要包括模式選擇、待機、內(nèi)外基準(zhǔn)選擇等，功能復(fù)雜的ADC采用SPI等串行總線配置寄存器對電路進行控制。

圖1 ADC接口示意圖

ADC的測試主要是圍繞著這些接口進行測試分析。ADC的直流參數(shù)測試部分主要包括電壓基準(zhǔn)、工作和待機電流、輸入輸出電平、積分非線性、微分非線性、增益誤差、零點誤差等。ADC的交流參數(shù)測試部分主要包括輸出數(shù)字信號的總諧波失真度、有效位數(shù)、信噪聲失真比、無失真動態(tài)范圍、信噪比、互調(diào)失真等。ADC的時間參數(shù)測試部分主要包括通訊接口時序、轉(zhuǎn)換時序和轉(zhuǎn)換建立時間等。本篇論文的主要內(nèi)容是介紹一種用于高精度ADC器件直流參數(shù)測試的新算法，同時討論一下在ADC器件交流參數(shù)測試中會出現(xiàn)的問題、原因和解決辦法。

2.1 直流參數(shù)

2.1.1 積分非線性（INL）

積分非線性表示了ADC器件在所有的數(shù)值點上對應(yīng)的模擬值和真實值之間誤差最大的那一點的誤差值，也就是輸出數(shù)值偏離線性最大的距離。單位是LSB。圖2直觀地給出了參數(shù)的定義。

圖2 INL示意圖

這項參數(shù)的測試原理框圖如圖3所示。

圖3 DC測試原理圖

理論測試方法簡介如下：

（1）將待測ADC電路接入測試系統(tǒng)；

（2）調(diào)節(jié)輸入端電壓，由J碼變?yōu)镴-1碼，記下輸入電壓V1；再調(diào)節(jié)輸入電壓使J-1碼變?yōu)镴碼，記下輸入電壓V2；同理J碼變?yōu)镴＋1碼再由J＋1碼變?yōu)镴碼分別記錄V3、V4，J碼的實際碼寬中心值Vja=（V1+V2+V3+V4）/4，分別測試所有碼的實際碼中心值；

（3）根據(jù)（2）的數(shù)據(jù)選用合適的數(shù)學(xué)方法確定最佳擬合直線，得到第J碼的模擬輸入量Vjc；

（4）由（2）項和（3）項的數(shù)據(jù)相比較，取其偏差的絕對最大值dVmax，由式（1）計算出EL：

2.1.2 微分非線性（DNL）

理論上說，模數(shù)器件相鄰兩個數(shù)據(jù)之間，模擬量的差值都是一樣的。就好比疏密均勻的尺子。但實際上，相鄰兩刻度之間的間距不可能都是相等的。所以，ADC相鄰兩刻度之間最大的差異就叫微分非線性DNL，也稱為差分非線性。圖4很直觀地給出了這項參數(shù)的含義。

圖4 DNL示意圖

這項參數(shù)的測試原理圖同INL的測試原理圖。

測試原理簡介如下:

（1）首先用上面項目中所測得的V1、V2、V3、V4按照公式[（V3+V4）/2]-[（V1+V2）/2]算出所有碼的實際碼寬；

（2）將（1）項的數(shù)據(jù)和理想1VLSB比較，取其偏差絕對值的最大值dVmax；由式（2）計算出EDL：

2.2 交流參數(shù)

交流參數(shù)測試關(guān)注的是器件的傳輸和性能特征，即采樣和重現(xiàn)時序變化信號的能力，ADC電路的主要交流參數(shù)主要有信噪比（SNR）、信噪聲失真比（SINAD）、總諧波失真（THD）、有效位數(shù)（ENOB）、無失真動態(tài)范圍（SFDR），下面是這些項目的具體定義。

信噪比：信號分量功率與噪聲分量功率之比；

信噪聲失真比：信號分量與噪聲功率及諧波分量功率和之比；

總諧波失真：諧波分量功率與信號分量功率之比；

無失真動態(tài)范圍：信號分量功率與最大雜波分量功率之比；

有效位：是一種折算關(guān)系，按理想ADC的信噪比與位數(shù)的關(guān)系式SNR＝6.02N+1.76推算而得到的。交流參數(shù)的測試原理框圖如圖5所示。

圖5 交流測試原理圖

理論測試方法簡介如下：

（1）電源施加合適的電源電壓，輸出端接規(guī)定的負(fù)載電阻；

（2）信號源施加規(guī)定幅度和頻率fs的模擬信號；

（3）施加規(guī)定頻率fCLK的采樣時鐘；

（4）待ADC工作穩(wěn)定后，采集合適數(shù)量的ADC輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；

（5）對采集的數(shù)據(jù)進行FFT運算，得到ADC轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)功率譜，分別按定義計算出基波信號分量P1，諧波信號分量PD，噪聲功率PN，最大雜波分量功率Ps。

由下列公式計算出：

3 關(guān)鍵參數(shù)實際測試方法及原理

3.1 直流參數(shù)

直流參數(shù)說明了靜止的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的情況，主要關(guān)注具體電平與相應(yīng)數(shù)字代碼之間的關(guān)系。當(dāng)隨著ADC的精度增加即轉(zhuǎn)換位數(shù)的增加，會使每個臺階的量化電平（1 LSB）也變小，例如滿幅度4.096 V的ADC電路：假設(shè)電路是12 bit精度，那么它的最小量化臺階就是1 mV；如果是16位精度的ADC電路，那么它的最小量化臺階就會降至0.062 5 mV。首先測試中采用精度滿足要求的模擬電壓源成本會比較高，其次由于系統(tǒng)噪聲的存在，一個臺階的輸入電壓變化很容易被噪聲淹沒。所以上述測試方法只適合位數(shù)比較低的ADC電路測試，而不適合高精度ADC電路的測試評價。要對高精度ADC的直流參數(shù)進行正確測試和評價，需要考慮采用其他方法，下面就介紹一種已經(jīng)實際應(yīng)用的測試方法。

在描述新的測試算法前，需要先分析在實際測試環(huán)境中的噪聲情況，一個良好穩(wěn)定的測試環(huán)境中所存在的噪聲在頻譜上的表現(xiàn)就會和白噪聲的頻譜類似。在這種環(huán)境下，如果對同一個電平用待測ADC電路（每個碼寬均相同的理想ADC電路）轉(zhuǎn)換測試多次，那么它的測試值就會表現(xiàn)為主要集中在其對應(yīng)值上，同時有少部分值會偏差到其相鄰兩邊。分布示意圖如圖6。

圖6 測試值分布圖

Y軸坐標(biāo)表示測到的次數(shù)，X軸坐標(biāo)表示測到的碼值。當(dāng)轉(zhuǎn)換次數(shù)足夠多時，這些點的分布在概率上表現(xiàn)就是滿足正態(tài)分布，期望值就是電平所對應(yīng)的碼值。標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)噪聲、電路的量化臺階密切相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)差和噪聲成正比，和量化臺階成反比。

為更好地解釋新的測試算法的原理，首先簡化這種轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的分布模型到三個點，就是對某個電平做N次理想的AD轉(zhuǎn)換，結(jié)果有三種：

數(shù)據(jù)A：N－a次；

數(shù)據(jù)B：a/2次；

數(shù)據(jù)C：a/2次。（B和C的數(shù)字碼值比A分別大1或小1）

如果將ADC的輸入電平在時間軸上做一個從最小值到最大值按臺階緩慢均勻的拉偏，并對每個模擬輸入電壓用這只理想ADC電路做N次AD轉(zhuǎn)換?？紤]到測試過程中環(huán)境未發(fā)生變化，所以每個點受噪聲影響的情況也都基本相同，那么每個點的測試結(jié)果都會符合上面的簡化模型。最后對得到的所有數(shù)據(jù)按數(shù)字碼值進行次數(shù)統(tǒng)計，就會得到一個數(shù)列：

n1, n2…nk（k＝2M-1，M是ADC電路的位寬）

觀察這個數(shù)列就會發(fā)現(xiàn)：n1, n2…nk每個值都相等，都等于N。這說明每個電平所對應(yīng)編碼的碼寬都相同，那么EL=0，EDL=0；

實際上AD器件的轉(zhuǎn)換曲線不會是理想的，那么ni的數(shù)值表現(xiàn)在N上下抖動，選取|ni-N|最大值的那個點，那么：

觀察數(shù)列nk，如果出現(xiàn)某個或某些n值為0，那么就意味著這塊電路存在了一定的誤碼。

如果測試環(huán)境存在周期性干擾，就需要改造測試方法，將每個點的采樣時間拉長到周期性干擾的整數(shù)倍，這樣測下來的結(jié)果也能夠真實地反映電路INL、DNL指標(biāo)情況。

3.2 交流參數(shù)

ADC器件的交流參數(shù)主要包括SFDR、THD、SNR等，這些參數(shù)的共同點是都需要對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，所以得到真實的頻譜是交流測試的重點。如果在實際的交流測試中，輸入信號頻率、周期數(shù)、采樣點數(shù)、采樣頻率選擇得不合適，就會出現(xiàn)如圖7所示的現(xiàn)象。

圖7 存在能量泄漏的頻譜

在這種頻譜上進行AC參數(shù)計算是錯誤的，得到的AC參數(shù)數(shù)據(jù)也是不真實的。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是采樣數(shù)據(jù)個數(shù)有誤：沒有對信號采集整數(shù)周期，導(dǎo)致信號的頻譜泄漏。為防止發(fā)生以上現(xiàn)象，需要對輸入信號頻率ft、輸入信號的周期數(shù)M、采樣點數(shù)N、采樣頻率fs做出規(guī)定，它們必須滿足以下公式：

fs/N =ft/M （10）

當(dāng)所選擇的輸入信號頻率、周期數(shù)、采樣點數(shù)和采樣頻率滿足上述關(guān)系后，就能夠保證采集的數(shù)據(jù)點數(shù)正好是整數(shù)個輸入信號周期，這樣采集到的數(shù)據(jù)在頻譜上就會表現(xiàn)為信號的能量非常集中，具體的頻譜表現(xiàn)如圖8所示。

圖8 無能量泄漏的頻譜

在這個頻譜的基礎(chǔ)上進行運算，這樣得到的AC參數(shù)就能真實反映待測ADC電路的性能。

4 實際測試曲線介紹及分析

實際測試的INL和DNL測試曲線如圖9所示。

圖9 實際INL、DNL測試曲線

圖9中示例為一款12 bit ADC，看INL圖，INL曲線表現(xiàn)得很像一個鋸齒波，這正是ADC電路采用分段數(shù)模轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在段和段的接縫上總是INL變化最大的地方。分析圖中數(shù)據(jù)，我們不難看出電路的INL指標(biāo)在5~6 LSB，DNL指標(biāo)小于1 LSB。

實際測試的交流曲線和頻譜見圖10和圖11。

圖10 時域測試曲線

圖11 頻域測試曲線

從時域圖中我們可以看到：正好采集了整數(shù)個周期的輸入信號，這反映到頻域上就表現(xiàn)為每根譜線能量非常集中。此電路最終的測試結(jié)果為：SNR=79.6 dB

5 結(jié)束語

長期以來高性能ADC器件主要依靠國外進口。隨著國內(nèi)科研院所技術(shù)水平的不斷提升，很多高性能ADC器件已經(jīng)完成了國產(chǎn)化，更多的高性能ADC器件正在研發(fā)。而如何準(zhǔn)確評價這些高性能ADC器件就成為了測試的難題。本文所討論的ADC參數(shù)測試的新算法就是為解決這個難題而開發(fā)出來的，這種算法為高性能ADC器件關(guān)鍵參數(shù)的測試評價提供了一個實現(xiàn)方便、成本低廉、開發(fā)簡單的解決途徑。目前該算法已經(jīng)成熟，并且在工程上已經(jīng)形成了一整套ADC電路測試的技術(shù)解決方案。通過這個方案的應(yīng)用已經(jīng)解決了JAD9268、JAD73311、AD1851的量產(chǎn)測試。

[1] Teradyne Technology, In, UltraFLEX User Manuals [Z].

[2] 理查德·G·萊昂斯. 精簡數(shù)字信號處理[Z].

[3] Neamen D A. 電子電路分析與設(shè)計[Z].

Research on Testing Technology of High Quality ADC

ZHU Jiang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

With the emergence of high quality ADC, the traditional technology of testing isn’t fit for the new ADC. In order to evaluate high quality ADC, the paper focuses on a new technology for new ADC’s test. In the paper the new technology is described and proved clearly. The conception and technology of ADC testing and the source of ultraf l ex system are described. Now the technology has been used in actual high quality ADC’s test.

high quality ADC; INL; DNL

TN307

A

1681-1070（2014）09-0009-04

2014-06-11