1、前言

　　隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)字電路工作速度和系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高，對(duì)高速、高精度的ADC指標(biāo)提出了更高的要求。比如移動(dòng)通信、圖像采集等應(yīng)用領(lǐng)域中，一方面要求ADC有高的采樣率以采集高帶寬的輸入信號(hào)，一方面又要有高的位數(shù)以分辨細(xì)微的變化。因此，保證ADC在高速采樣情況下的精度是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。ADC性能好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞，ADC的性能測(cè)試變得十分重要。

　　目前的實(shí)時(shí)信號(hào)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(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的高低和性能好壞，從而使得ADC的性能測(cè)試變得十分重要。

　　ADC芯片的性能測(cè)試是由芯片生產(chǎn)廠家完成的，需要借助昂貴的半導(dǎo)體測(cè)試儀器， 但是對(duì)于板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)人員來說，更重要的是如何驗(yàn)證芯片在板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用上的真正性能指標(biāo)。

　　ADC靜態(tài)測(cè)試的方法已研究多年，國(guó)際上已有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，但靜態(tài)測(cè)試不能反映ADC的動(dòng)態(tài)特性，因此有必要進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

　　2、ADC的主要參數(shù)

　　ADC典型接口如下圖所示，

　　包括：

　　模擬輸入部分；

　　編程控制接口，如SPI；

　　采樣時(shí)鐘接口；

　　電源輸入接口。

　　ADC靜態(tài)指標(biāo)：

　　微分非線性DNL

　　積分非線性 INL

　　偏置誤差

　　滿刻度增益誤差

　　ADC動(dòng)態(tài)指標(biāo)：

　　總諧波失真 THD

　　信噪比和失真 SINAD

　　有效位數(shù) ENOB

　　信噪比 SNR

　　無雜散動(dòng)態(tài)范圍 SFDR

　　3、ADC測(cè)試的挑戰(zhàn)及R&S方案

　　ADC測(cè)試可分為靜態(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試，靜態(tài)測(cè)試的方法已研究多年，國(guó)際上已有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，但靜態(tài)測(cè)試不能反映ADC的動(dòng)態(tài)特性，因此有必要進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

　　挑戰(zhàn)主要分為以下5點(diǎn)：

　　1.  供電：

　　為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，需流暢的電壓為ADC和時(shí)鐘供電。在現(xiàn)如今的ADC設(shè)計(jì)中，通常使用低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器來提高電壓的穩(wěn)定性。

　　要求電源低紋波噪聲和低電壓偏差。

　　2.  電源完整性：

　　紋波噪聲和串?dāng)_等電源完整性問題會(huì)嚴(yán)重影響ADC性能。

　　要求示波器及探頭具備高靈敏度、高偏置與強(qiáng)大的FFT多域測(cè)量能力。

　　3.  時(shí)鐘替代品：

　　時(shí)鐘性能對(duì)ADC十分關(guān)鍵。

　　要求時(shí)鐘替代品相位噪聲和抖動(dòng)性能卓越，頻譜純度高，功率高

　　4.  時(shí)鐘驗(yàn)證：

　　時(shí)鐘抖動(dòng)和頻譜純度會(huì)直接影響ADC的動(dòng)態(tài)范圍。

　　要求相位噪聲分析儀靈敏度高、可測(cè)附加相位噪聲、可進(jìn)行頻譜測(cè)量。

　　5.  性能特性測(cè)試：

　　ADC性能參數(shù)直接影響系統(tǒng)整體性能。

　　要求測(cè)試分析儀頻譜純度高、帶寬和EVM性能出眾、觸發(fā)精度高、解碼功能速度快眼圖和抖動(dòng)分析功能全面。

　　針對(duì)以上挑戰(zhàn)，羅德與施瓦茨提供的測(cè)試方案及優(yōu)點(diǎn)如下：

　　1.  供電方案：

　　采用R&S?NGM、R&S?NGL與HMP系列高性能/專業(yè)電源可向ADC傳輸流暢、穩(wěn)定且精確的直流電源，該方案的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　最高四個(gè)隔離通道；高精度，高瞬態(tài)性能

　　低紋波噪聲；任意波，高采樣Data logger

　　2.  電源完整性方案：

　　采用R&S?RTO、RTE系列示波器與RT-ZPR電源軌探頭測(cè)量電源完整性，該方案的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　RT-ZPR探頭1:1衰減；4GHz帶寬；超高靈敏度

　　高精度直流電壓表；偏置范圍±60V

　　RTO、RTE示波器；分辨率16位；百萬(wàn)波形/秒捕獲率

　　硬件準(zhǔn)實(shí)時(shí)FFT；時(shí)域、頻域同時(shí)分析

　　掃碼下載R&S示波器產(chǎn)品解決方案

　　3.  時(shí)鐘替代品方案：

　　采用R&S?SMA100B和R&S?SMB100A信號(hào)源提供處于不同性能范圍的時(shí)鐘替代品，該方案的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　SMA100B頻率20GHz；最佳抖動(dòng)/相噪性能

　　全無損耗電子衰減器；不同性能級(jí)別多個(gè)選項(xiàng)

　　R&S?SMB100A頻率40GHz；在超低時(shí)鐘頻率下具有出色的性能

　　高輸出功率；補(bǔ)償損耗；SMAB-B29時(shí)鐘源次級(jí)輸出

　　掃碼下載R&S信號(hào)源產(chǎn)品解決方案

　　4.  時(shí)鐘驗(yàn)證方案：

　　R&S提供行業(yè)領(lǐng)先的解決方案組合，可在所有性能范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)鐘驗(yàn)證：

　　方案1：采用R&S?FSWP相位噪聲分析儀和VCO測(cè)試儀進(jìn)行時(shí)鐘驗(yàn)證；

　　方案2：采用R&S?FSW、R&S?FSVA、R&S?FSV和R&S?FPS頻譜分析儀及其相位噪聲測(cè)量功能進(jìn)行時(shí)鐘驗(yàn)證。

　　該組方案的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　市場(chǎng)領(lǐng)先的互相關(guān)相位噪聲和抖動(dòng)性能靈敏度；超快相位噪聲測(cè)量

　　對(duì)隨機(jī)和周期性抖動(dòng)進(jìn)行特性測(cè)量；調(diào)幅噪聲和相位噪聲同步測(cè)量

　　5.  性能特性測(cè)試方案：

　　采用R&S?SMA100B、R&S?SMBV100A和R&S?SMW200A進(jìn)行性能特性測(cè)試，該方案的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　SMA100B提供超級(jí)純凈的模擬輸入信號(hào)

　　SMBV100A或SMW200A提供最高2GHz帶寬的調(diào)制輸入

　　4、ADC參數(shù)測(cè)試方案

　　傳統(tǒng)方案是給ADC輸入端口一個(gè)理想模擬信號(hào)，給時(shí)鐘端口一個(gè)理想采樣信號(hào)，以及相應(yīng)的直流電源、濾波器等附件。然后對(duì)ADC轉(zhuǎn)換以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。信號(hào)源的信號(hào)質(zhì)量要超過待測(cè)ADC。ADC的性能測(cè)試需要多臺(tái)高性能模擬信號(hào)源的配合并用軟件對(duì)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

　　4.1 測(cè)試方案1：

　　測(cè)試系統(tǒng)包括四臺(tái)儀器：一臺(tái)信號(hào)源SMA100B作為產(chǎn)生高精度、高純凈度的正弦波給待測(cè)ADC作為源輸入，ADC在另外一臺(tái)信號(hào)源SMA100B提供的采樣時(shí)鐘的控制下對(duì)此正弦波進(jìn)行采樣，變換后的結(jié)果用軟件或者RTO示波器邏輯分析儀選件采集下來。

　　兩臺(tái)SMA100B信號(hào)源把10MHz的參考頻率同步起來，這樣兩臺(tái)信號(hào)源的相位噪聲在環(huán)路帶寬內(nèi)（1Hz-100Hz）具有相關(guān)性，不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

　　SMA100B信號(hào)源的相位噪聲極低，產(chǎn)生的正弦波的質(zhì)量極高，如下圖的SSB指標(biāo)所示，1GHz頻率的信號(hào)的相位噪聲可低至-155dBc（10k offset）。

　　時(shí)鐘的抖動(dòng)對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響非常大，測(cè)試中需要低jitter信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生ADC的采樣時(shí)鐘。SMA100B作為時(shí)鐘的提供源，其jitter指標(biāo)也相當(dāng)優(yōu)異，可以控制在fs量級(jí)。

　　ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字結(jié)果通過電腦軟件或者示波器邏輯分析選件采集下來進(jìn)行分析。通常廠商提供某款A(yù)DC的評(píng)估板，該評(píng)估板上的USB接口可以將結(jié)果傳回電腦軟件進(jìn)行分析。如果采用示波器邏輯分析選件，該選件工作在狀態(tài)采樣模式，需要使用的通道數(shù)取決于ADC的位數(shù)，狀態(tài)采樣率取決于ADC的采樣率，存儲(chǔ)深度取決于采樣率和要分析的頻率分辨率。

　　4.2 測(cè)試方案2：

　　如果ADC的應(yīng)用不做降采樣應(yīng)用（IF數(shù)字下變頻），可采用如下方案節(jié)省成本。R&S的模擬信號(hào)源SMA100B是可同時(shí)提供模擬信號(hào)輸出和采樣時(shí)鐘輸出的單臺(tái)儀表，可節(jié)約一臺(tái)信號(hào)源。

　　5、ADC測(cè)試典型結(jié)果分析

　　5.1 輸入信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

　　使用示波器對(duì)輸入信號(hào)做FFT分析，了解信號(hào)在不同階段的性能，包括：

　　噪聲電平

　　諧波性能/雜散

　　干擾源等

　　RTO示波器的優(yōu)勢(shì)：

　　高動(dòng)態(tài)范圍，低噪聲

　　硬件準(zhǔn)實(shí)時(shí)FFT

　　測(cè)量分析如下圖所示：

　　5.2 輸出信號(hào)質(zhì)量測(cè)試與分析

　　將ADC輸出通過探頭連接到示波器數(shù)字輸入通道，配置各通道的總線定義，測(cè)量并驗(yàn)證輸出數(shù)據(jù)的正確性，分析信號(hào)質(zhì)量。

　　RTO示波器優(yōu)勢(shì)：

　　16通道；最高400MHz開關(guān)速率

　　5GSa/s采樣率；200Msa/CH存儲(chǔ)

　　模擬總線顯示“analog bus”

　　設(shè)置截圖如下：

　　用Analog Bus顯示分析輸出信號(hào)質(zhì)量。傳統(tǒng)的總線解碼為組合總線顯示，是將一定時(shí)間的數(shù)據(jù)匯總顯示。而RTO創(chuàng)新的模擬總線顯示Analog bus顯示總線數(shù)據(jù)代表的模擬波形，這樣 輸入和輸出信號(hào)更容易對(duì)照比較。如下圖所示：

　　分析ADC輸出信號(hào)（可通過MATLAB分析）：保存模擬總線波形--> 執(zhí)行FFT和對(duì)應(yīng)的頻譜測(cè)量（FFT需要重新采樣加強(qiáng)定時(shí)準(zhǔn)確度） --> 將輸入和輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)測(cè)試ADC的性能。

　　對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)試。模擬總線顯示有助于發(fā)現(xiàn)信號(hào)畸變，如下圖：

　　5.3 編程接口測(cè)試

　　使用示波器數(shù)字通道連接SPI接口，使用SPI協(xié)議解碼，設(shè)置觸發(fā)于SPI “幀起始”。測(cè)量SPI指令下達(dá)到ADC工作的延遲時(shí)間。

　　RTO示波器的優(yōu)勢(shì)：

　　具有常用低速串行總線的觸發(fā)和解碼功能

　　模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和總線解碼的時(shí)間相關(guān)測(cè)量

　　測(cè)量結(jié)果如下圖：

　　6、總結(jié)

　　綜上所述，面對(duì)突飛猛進(jìn)的ADC需求與ADC技術(shù)，羅德與施瓦茨為您提供最優(yōu)測(cè)量?jī)x器與解決方案，助您獲得簡(jiǎn)便的測(cè)試過程與精確的測(cè)試結(jié)果。

　　關(guān)于羅德與施瓦茨

　　羅德與施瓦茨公司作為一家獨(dú)立的國(guó)際性科技公司，為專業(yè)用戶開發(fā)、生產(chǎn)以及銷售創(chuàng)新的通信、信息和安全產(chǎn)品。公司主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括測(cè)試與測(cè)量、廣播電視與媒體、航空航天|國(guó)防|安全、網(wǎng)絡(luò)信息安全并覆蓋多個(gè)不同行業(yè)及政府市場(chǎng)分支。截止到2019年6月30日，羅德與施瓦茨公司員工人數(shù)約為12,000名。公司總部設(shè)在德國(guó)慕尼黑。全球范圍內(nèi)，公司在70多個(gè)國(guó)家設(shè)有子公司并在亞洲和美國(guó)設(shè)有區(qū)域中心。