《電子技術應用》
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高速高分辨率ADC有效位測試方法研究
來源：電子技術應用2013年第5期
李海濤，李斌康，阮林波，田 耕，田曉霞，渠紅光，王 晶，張雁霞
西北核技術研究所 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安710024
摘要： 介紹了ADC的有效位計算公式，分析了ADC的性能參數測試方法，給出了ADC的有效位測試解決方案。對FFT方法在ADC性能測試中的應用做了深入探討，包括頻譜泄露、相干采樣和加窗函數等。采用一種改進的FFT方法對TI公司的ADS5400進行有效位測試，得到其在400 MS/s采樣率的有效位ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。
中國分類號： TM930.1
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)05-0041-03
Research on the ENOB test methods of high-speed high-resolution ADC
Li Haitao，Li Binkang，Ruan Linbo，Tian Geng，Tian Xiaoxia，Qu Hongguang，Wang Jing，Zhang Yanxia
State Key Lab of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi′an 710024，China
Abstract： The performance parameters of ADC, especially the ENOB, are introduced in the paper. After the discussion of several test methods of ADC performance parameter, a test solution for ENOB is put forward. The application of the FFT method in the ENOB test is analyzed, including spectral leakage, coherent sampling and windowing functions, etc. An improved FFT methods is used in the ADC ENOB test, and the ENOB of ADS5400 working at 400 MS/s is 9.12 bit(fin=1.123 MHz).
Key words : ADC ENOB；FFT；ADS5400

    作為連接模擬世界和數字世界的橋梁，ADC的性能影響整個系統的性能。如何對ADC進行性能測試是目前ADC研究的熱門領域之一。表征ADC的性能參數分為靜態(tài)性能參數和動態(tài)性能參數。靜態(tài)性能參數描述ADC的內在特性，主要關注穩(wěn)定模擬輸入與對應數字輸出的關系；動態(tài)性能參數描述的是ADC采樣和重現時序變化信號的能力。用于定量表示ADC動態(tài)性能的常用參數有6個，分別是：SINAD(信納比)、ENOB(有效位數)、SNR(信噪比)、THD(總諧波失真)、THD+N(總諧波失真加噪聲)和SFDR(無雜散動態(tài)范圍)等。在這些動態(tài)性能參數中，ENOB是表征ADC的動態(tài)性能的重要參數，ADC自身及外部電路產生的噪聲和諧波等都可以在該參數中得到反映。

    測試ADC性能參數的方法主要有模擬方法和數字方法兩種。模擬方法是將ADC得到的采樣數據經DAC轉換為模擬信號，再使用傳統的方法進行測試，該方法引入了DAC的噪聲和諧波，因此會影響ADC性能指標；數字方法主要有直方圖法、正弦波擬合法和FFT法等[1]，直方圖法測試ADC的等效輸入噪聲等性能參數，正弦波擬合法對ADC的動態(tài)性能給出總體描述，FFT方法測試ADC動態(tài)性能參數。直方圖法和正弦波擬合法引入了信號源的噪聲和諧波等外圍電路干擾，并且測試的性能參數單一，相比之下，FFT方法可以抑制甚至消除外圍電路影響，獲得的動態(tài)性能參數也較多[2]。本文重點討論如何采用FFT方法對ADC的ENOB進行測試。


    可以看到，相干采樣對信號源的頻率分辨率和穩(wěn)定性要求很高。在實際操作時，信號源無法滿足條件，需要對采樣數據進行加窗函數處理以減少頻譜泄漏。
    加窗函數時，窗函數的選擇非常重要。理想的窗函數是主瓣寬度盡量小、過渡帶盡量陡，以使頻點能量更加集中。應用較多的窗函數有矩形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗等。圖1給出了相干采樣圖形和非相干采樣圖形加窗函數后的功率譜密度。對于相干采樣，能量都集中在一個頻率點上，平均噪底低；對于非相干采樣，出現了頻譜泄漏現象，平均噪底被抬高，經過加窗函數處理后，其平均噪底被壓低，能量分布得到集中，但是能量依然不如相干采樣集中。在測試ADC動態(tài)性能參數時，選擇一個合適的窗函數很難，不同的窗函數導致測試結果也不一樣。

3 使用FFT測試ADS5400
    在對ADC的ENOB進行測試時，會引入一定量的噪聲和諧波，主要分為兩類，一類是ADC自身的噪聲和諧波，這是ADC的固有特性；另一類是外圍電路引入的噪聲和諧波，這些外圍設備包括信號源、時鐘源等。測試其動態(tài)性能參數時，需要抑制或消除外圍電路引入的噪聲和諧波。本文采用了參考文獻[8]提到的ENOB測試方法，利用式(1)得到ADC的ENOB。該方法可以有效抑制信號源的干擾，實現了對ADC的ENOB的客觀測量[8-9]。

 


    采用上述步驟對TI公司的ADS5400進行測量，測量平臺如圖2所示。ADS5400是一款高速高分辨率ADC，采樣率范圍100 MS/s～1 000 MS/s，分辨率為12 bit。

     最終測得，在輸入信號頻率為1.123 MHz、輸入幅度滿量程時，ADS5400的SINAD=56.66 dB，有效位ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。對比ADS5400的Datasheet給出的ENOB典型值ENOB=9.34 bit(fin=125 MHz)可以發(fā)現，改進的FFT方法很好地抑制了信號源以及其他外圍電路的干擾，基本實現了對ADC的ENOB的準確測量。
    對ADC動態(tài)性能參數進行測試時，要注意抑制或消除ADC自身及外圍電路的噪聲和諧波引入的干擾。
    本文介紹了一種改進的FFT方法用于高速高分辨率ADC的動態(tài)性能參數測試，注意到FFT分析采樣數據時的頻譜泄漏問題，給出了相干采樣和加窗函數等解決方案。采用改進的FFT方法對TI公司的ADS5400進行測試，在采樣率為400 MS/s的情況下，獲得了ADS5400的ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。同時，驗證了使用FFT方法測量高速高分辨率ADC的有效位的可行性，該方法可以廣泛應用在ADC的動態(tài)性能參數測試中。
參考文獻
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