模數轉換器評估：與標準有關系嗎？

我們乘坐的航班剛剛開始下降高度，這時坐在我旁邊的一位先生轉過頭來和我聊起工程學——他看到我在閱讀一本工程學期刊。這位鄰座的先生說，他是電氣與電子工程師協(xié)會 (IEEE) 會員，而他原來的志向就是希望能夠成為某個標準委員會的一員。我問他正致力于哪種標準的制定工作—它與電站安全有關。直到飛機在航站樓前停下來，我們才結束了對話，然后分道揚鑣。討論間，我談到標準非常重要，并以我所在行業(yè)的角度告訴他，我是多么吃驚的感到直到2000年我們才有了一個IEEE標準，才能對模數轉換器 (ADC) 的規(guī)范和測試方法進行定義。這一點值得我們注意，因為至少在 20 世紀 20 年代模數轉換便為人們所熟知，而商用 ADC 的出現卻是在 20 世紀 60 年代^[1]。數十年以來，ADC 制造商們都在對這些設備的規(guī)范進行定義，并完全獨立地各自對這些規(guī)范進行測試。自然而然地，形成了一些關于如何測試的“標準”，但仍然沒有由實體標準機構發(fā)布的標準指導原則。第一次真正的 ADC 標準制定工作開始于 1980 年，最終發(fā)布了 IEEE1057 ^[2]標準，也即后來的 IEEE1241 ^[3]。IEEE1241 專門針對 ADC 器件本身，其與一整套的數據采集或者記錄系統(tǒng)完全不同。IEEE1241-2000 是第一種真正為 ADC 組件制造廠商制定的標準；該標準于 2010 年更新。圖1理想的ADC 傳輸函數均勻排列各個轉移點（寬度剛好為一個最低有效位LSB）ADC 評估的主要任務便是確定其傳輸函數。理想情況下，一個轉換器有一個同圖1所示類似的傳輸函數。圖1 顯示了一個三位轉換器的傳輸函數。在理想的轉換器中，每碼寬度完全相同，并且可以畫一條直線穿過每個代碼“高原”的中點。實際上，卻并非總是這樣—由于實際傳輸函數不同于理想情況，因此確定轉移點和代碼寬度對ADC測試和特性描述至關重要。為了尋找到真正的傳輸函數，IEEE標準建議使用幾個可能的測試步驟和方法。一種方法是利用復雜的伺服環(huán)路系統(tǒng)，其要求數模轉換器 (DAC) 擁有比受測 ADC 更高的分辨率。另一種方法是使用一個正弦波振蕩器，但必須具有比受測 ADC 預計信噪失真比 (SINAD) 高至少 20dB 的總諧波失真和噪聲 (THD+N)。例如，一個理想的 16 位 ADC 擁有 98 dB 的信噪比 (SNR) 且沒有失真（畢竟它是理想情況）--那么 SINAD 就為 98dB。要想對該 ADC 進行測試，要求使用一個 –118dB 以上 THD+N 的振蕩器。當你觀察高分辨率 ADC時，如果正弦波發(fā)生器無法單獨完成任務，則其可能會要求使用濾波來獲得純光譜信號。找到這種高分辨率 DAC 或者純光譜振蕩器，并且制造出所需的復雜測試設備，對于廣大 ADC 制造廠商而言，他們都愿意這樣做，而且一般也都具備這樣的能力。這些儀器中的一些十分昂貴，但如果你的業(yè)務就是制造 ADC，那么這些投資都是值得的。但是對于那些正在從事 ADC 系統(tǒng)設計的個人而言，他們如何來完成 ADC 的評估和測試工作呢？許多人會轉而使用制造廠商提供的評估板和工具套件（圖 2）來進行測試。利用這些系統(tǒng)，我們可以很容易地通過一條USB連接線把受測 ADC 連接到計算機，然后使用軟件采集數據，最后對其進行分析。圖2ADC 制造廠商提供的評估板和工具套件（例如：TI ADS1281EVM-PDK 等）通常都有完整的數據采集系統(tǒng)，但缺少信號源。所提供軟件通常執(zhí)行的是類似于IEEE標準的測試。一些人想使用評估套件得到如 ADC 產品說明書規(guī)范所示的相同結果，卻并非每次都能如愿，特別是使用高分辨率轉換器時，因為要求的正弦波發(fā)生器可能會不可用。盡管使用評估板及其軟件，常?？梢缘玫揭恍┯幸饬x的結果，但也要小心謹慎。評估硬件和分析軟件一般工作在一種術語稱作“塊模式”的模式下。在這種模式下，先收集一批固定數量的采樣，將其發(fā)送給軟件，然后軟件對該數據塊或者數據記錄進行分析。我們對大多數 IEEE 標準測試進行了定義，這樣它們便可以處理這些數據塊。問題是，IEEE1241 中列出的測試真能幫你對系統(tǒng)的ADC 適用性進行評估嗎？如果你相信它能，那么除了在器件產品說明書中所看到的內容，你還能得到什么呢？許多人認為，除看到實際運行的器件外，評估板還介紹參考設計和布局，可為你在實際系統(tǒng)中使用它提供指導。盡管如此，對于一些人而言，IEEE1241測試卻并非是他們所需要的。根據不同的ADC 類型，一些人會喜歡把評估板和軟件用作數字示波器或者圖形記錄器，持續(xù)地產生數據流，這與逐塊數據傳輸不同。我接觸過的一些客戶努力想知道長期穩(wěn)定性或者漂移性能，他們有時會要求連續(xù)數小時甚至幾天在硬盤上記錄數據。盡管更多的還是由 IEEE1057 對這些應用進行規(guī)范，但沒有哪一種標準探討長期漂移或者穩(wěn)定性測試。大多數制造廠商的評估板和軟件都不會支持這類應用或者測試。ADC 組件制造廠商應該啟用其評估板和軟件來產生數據流和數據塊采集，并開啟其它功能來進行 ADC 相關標準中沒有規(guī)范的測試嗎？對 ADC 制造廠商而言，標準絕對有關系。但作為使用這些 ADC 的電路設計人員，ADC 制造廠商使用的相同標準對你可能并沒有多大用處。在進行 ADC 評估時，你會想到哪些標準呢？我會在后續(xù)文章中與讀者們一起分享。參考文獻《數據轉換手冊》中《數據轉換器歷史》，作者：Walt Kester，刊發(fā)于《模擬器件》（2005年Newnes出版社）《波形記錄器數字化IEEE標準》，IEEE1057-1994《模數轉換器術語與測試方法IEEE標準》，IEEE1241-2000《ADS1281性能開發(fā)套件 (PDK)》，刊發(fā)于2011 年 5 月TI SBAU143C

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