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高速ADC的性能測試
摘要：針對某信號處理機中的高速A/D轉換器（ADC）的應用，利用數字信號處理機的硬件平臺，采用純正弦信號作為輸入信號，用數字信號處理器（DSP）控制采樣，并將A／D轉換后的數據存儲，進行FFT變換，進而來分析ADC的信噪比及有效位數。該測試方法具有全數字、可編程、精確度高等優點，是較為先進的測試方法。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靜態測試的方法已研究多年，國際上已有標準的測試方法，但靜態測試不能反映ＡＤＣ的動態特性，因此有必要研究動態測試方法。動態特性包括很多，如信噪比（ＳＮＲ）、信號與噪聲＋失真之比（ＳＩＮＡＤ）、總諧波失真（ＴＨＤ）、無雜散動態范圍（ＳＦＤＲ）、雙音互調失真（ＴＴＩＭＤ）等。本文討論了利用數字方法對ＡＤＣ的信噪比進行測試，計算出有效位數，并通過測試證明了提高采樣頻率能改善ＳＮＲ，相當于提高了ＡＤＣ的有效位數。在本系統中使用了ＡＤ９２２４，它是１２ｂｉｔ、４０ＭＳＰＳ、單５Ｖ供電的流水線型低功耗ＡＤＣ。
１ 測試系統原理
傳統的動態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雜、精度低、能測試的指標有限。國外從２０世紀７０年代起研究用數字信號處理技術對ＡＤＣ進行動態測試，主要方法有正弦波擬合法[１]、ＦＦＴ法[２～３]、直方圖法[４]等，而國內這方面的研究則剛剛起步。
本文介紹的測試系統是利用作者開發的數字信號處理機中的ＤＳＰ及其仿真系統來進行數據的采集、存儲、處理及顯示，從而構成可編程、數字化的ＡＤＣ性能測試系統。
在該信號處理機中，首先采用兩路ＡＤＣ進行Ｉ、Ｑ正交采樣；然后用ＤＳＰ并行系統進行數據的ＦＦＴ運算、求模以及恒虛警處理；最后將結果通過并口傳給筆記本電腦進行顯示。實時信號處理機原理框圖如圖２所示。其中，ＤＳＰ芯片是ＡＤＳＰ２１０６０，主頻為４０ＭＨｚ。它可以通過ＪＴＡＧ接口與ＰＣ機相連。ＰＣ機上運行ＤＳＰ的在線仿真軟件，能夠實時地控制ＤＳＰ的運行，并將處理結果以數據或圖形的方式顯示或存儲起來。
前面講過，過去對ＡＤＣ進行測試是用模擬方法(如圖１)，并且需要高性能的Ｄ／Ａ轉換器。現在則利用計算機進行數字信號處理，可以實現數字化的測試。現取處理機中的一路ＡＤＣ搭建測試系統，如圖３所示。
在本測試系統中，使用信號發生器產生單頻正弦信號，ｆ＝１．８６２５ＭＨｚ。采樣頻率ｆｓ由可編程邏輯器件（ＥＰＬＤ）產生，可產生的采樣時鐘頻率為３．７２５ＭＨｚ和７．４５ＭＨｚ兩種，可對正弦信號進行整數倍采樣（２倍和４倍）。這里將正弦信號采樣數據取為２５６個來進行處理。
２ ＡＤＣ動態指標
２．１ 信噪比
對于理想的ＡＤＣ來說，在奈奎斯特帶寬內的噪聲電壓有效值可表示為ｑ／根號12。ｑ表示最低位碼的權值，即ＡＤＣ的量化電壓，該值與輸入信號的幅度和頻率無關。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，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
實際上ＡＤＣ的誤差表現為靜態及動態非線性誤差，并且動態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（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信號混迭產生的噪聲。另外，因為正弦信號容易產生和便于數學分析，所以在評估ＡＤＣ的動態性能時，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
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，保證不會發生混疊。用ＤＳＰ順序記錄ＡＤＣ輸出數據。
(２)接著用ＤＳＰ進行ＦＦＴ運算。當數據記錄不是包含整數個信號周期時,要加窗函數來抑制頻譜泄漏。可選擇適當的窗函數，使信號能量集中在主瓣內，主瓣外能量可忽略。
(３)根據ＦＦＴ運算的結果，首先計算信號的有效值。然后取基頻和其兩旁適當數目的采樣值,求它們的平方和的平方根。所需采樣的數目由已知的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)，根據公式（２）即可計算出Ａ
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