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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｡  C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ADC的有效位數｡ 4 測試結果 利用上述測試系統和測試參數對ADC采樣的數據進行FFT運算,并按上述算法進行計算,結果表明,在fs=2f時,SNR=67.6dB,根據公式(2)得出有效位數為: 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,相當于ADC有效位數提高半位｡可見實際測試數據結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的結果如圖4和圖5所示｡ 對于高速ADC來說,其動態特性格外重要,因而精確地測試ADC的動態指標成為非常有意義的工作｡對于實時信號處理機而言,ADC模塊單元的大動態范圍､高信噪比等顯得尤為重要,這些性能將直接影響到后續的信號處理和檢測｡因此利用實時信號處理機本身的硬件平臺,通過軟件編程來實現對ADC的測試是一種高效､高精度的方法｡ |
