高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)參數(shù)的定義和測試

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的參數(shù)定義和描述如表1所示。

　　表1 動(dòng)態(tài)參數(shù)定義

　　測試方案中的線路板布局和硬件需求

　　為合理測試高速ADC的動(dòng)態(tài)參數(shù),最好選用制造商預(yù)先裝配好的電路板,或是參考數(shù)據(jù)手冊中推薦的線路板布局布板,高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的布板需要高速電路的設(shè)計(jì)技巧,通常應(yīng)遵守以下基本規(guī)則：

　　所有的旁路電容盡可能靠近器件安裝,最好和ADC在同一層面,采用表面貼裝元件使引線最短,減小寄生電感和電容。

　　模擬電源、數(shù)字電源、基準(zhǔn)電源和輸入公共端采用兩個(gè)0.1MF的陶瓷電容和一個(gè)2.2M(F雙極性電容并聯(lián)對地旁路。

　　采用具有獨(dú)立的地平面和電源平面的多層電路板,保證信號的完整性。

　　采用獨(dú)立的接地平面時(shí)應(yīng)考慮ADC模擬地和數(shù)字地的物理位置。兩個(gè)地平面之間的阻抗要盡可能低,二者間的交流和直流電壓差低于0.3V以避免器件的損壞和死鎖。模擬地與數(shù)字地應(yīng)單點(diǎn)連接,可以用低阻值表貼電阻(1Ω~5Ω)、鐵氧體磁珠連接或直接短路,避免充滿噪聲的數(shù)字地電流對模擬地的干擾。

　　如果模擬地與數(shù)字地充分隔離時(shí),也可以將所有的接地引腳置于同一平面。

　　高速數(shù)字信號線應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬信號線。

　　所有的信號線應(yīng)盡可能短,而且無90(拐角。

　　時(shí)鐘輸入要作為模擬輸入信號來處理,遠(yuǎn)離任何模擬輸入和數(shù)字信號。

　　選擇恰當(dāng)?shù)臏y試方案和正確的測試設(shè)備是獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器最佳參數(shù)的重要環(huán)節(jié)。以下提出的硬件選擇方案對高速ADC MAX1448的測試是必需的,也是行之有效的。

　　直流電源 (Hewlett Packard E3620A, 雙電源 0-25V, 0-1A): 為模擬和數(shù)字電路提供獨(dú)立的供電電源。每個(gè)電源必須能夠提供100mA 的驅(qū)動(dòng)電流.

　　時(shí)鐘信號函數(shù)發(fā)生器 (Hewlett-Packard HP8662A): 被測器件的時(shí)鐘輸入端接受兼容于CMOS電平的時(shí)鐘信號。由于MAX1448內(nèi)部采用十級流水線結(jié)構(gòu)、級間轉(zhuǎn)換依賴于外部時(shí)鐘上升沿和下降沿的可重復(fù)性,所以需用一個(gè)低抖動(dòng)、快速上升/下降的外部時(shí)鐘信號。尤其是本轉(zhuǎn)換器的采樣出現(xiàn)在時(shí)鐘信號的下降沿,應(yīng)確保下降沿的抖動(dòng)最小。孔徑抖動(dòng)限制了ADC的SNR性能：

　　SNRdB = 20·log10 (1 / 2π·fIN·TAj)

　　式中fIN 為模擬輸入頻率,tAJ 為孔徑抖動(dòng)時(shí)間。欠采樣應(yīng)用中對時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)要求更嚴(yán)格。

　　輸入信號函數(shù)發(fā)生器 (Hewlett-Packard HP8662A):

　　為保證正常工作,兩個(gè)函數(shù)發(fā)生器(時(shí)鐘與輸入信號)必須是相位鎖定的。

　　邏輯分析儀- (Hewlett-Packard HP16500C):

　　根據(jù)FFT所需的采樣點(diǎn)選擇邏輯分析儀,如HP1663C具有不到4k的數(shù)據(jù)記錄容量,可以用于本測試中。

　　模擬帶通濾波器(TTE 橢圓函數(shù)帶通濾波器 Q56 系列):

　　截止頻率：7.5MHz, 20MHz, 40MHz 和 50MHz

　　數(shù)字萬用表 (DMM): 用于檢查基準(zhǔn)、電源和共模電壓。

　　被測器件的評估板

　　采用源自電路板的外部時(shí)鐘信號同步邏輯分析儀,并在時(shí)鐘的上升沿鎖相。采集數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集板上、通過邏輯分析儀的HPIB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,也可以存儲(chǔ)在邏輯分析儀的硬盤或軟盤中。

　　接著要考慮的是選擇合適的軟件工具。下列軟件工具被選擇用于數(shù)據(jù)的采集和分析：

　　* LabWindows/CVI：在邏輯分析儀和數(shù)據(jù)采集板之間建立通訊鏈路并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　* MATLAB：用于對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT和動(dòng)態(tài)參數(shù)分析的軟件工具,源程序可由Maxim中文網(wǎng)站獲得(www.maxim-ic.com.cn)。

　　用于測試的總體電路框圖如圖一所示。

　　功率譜、頻率分辨率、頻譜泄漏與窗函數(shù)

　　在分析和測定所采集的數(shù)據(jù)記錄時(shí),快速傅立葉變換(FFT)和功率譜是非常有用的工具。借助這些工具能夠有效地采集時(shí)域信號、測定其頻譜成分、并對結(jié)果進(jìn)行顯示。

　　功率譜圖(參考抽樣程序)在頻率軸(x軸)上的頻率范圍和分辨率取決于采樣速率和數(shù)據(jù)記錄的長度(采樣點(diǎn)數(shù))。功率譜圖上的頻率點(diǎn)數(shù)或譜線數(shù)為N/2 ,N是信號采樣記錄中包含的點(diǎn)數(shù)。所有的頻點(diǎn)間隔為fSAMPLE/N ,通常稱之為頻率分辨率或FFT 分辨率：

　　Bin = fSAMPLE/N = 1 / (N · (tSAMPLE)

　　頻譜泄漏和窗函數(shù)

　　FFT分析中常常要用到窗函數(shù)。在基于FFT的測量中正確選擇窗函數(shù)非常關(guān)鍵。頻譜泄漏是由FFT算法中的假設(shè)造成的,FFT算法中假設(shè)離散時(shí)間序列可以精確地在整個(gè)時(shí)域進(jìn)行周期延拓,所有包含該離散時(shí)間序列的信號為周期函數(shù),周期與時(shí)間序列的長度相關(guān)。然而如果時(shí)間序列的長度不是信號周期的整數(shù)倍(fIN/fSAMPLE ( NWINDOW/NRECORD) ,假設(shè)條件即不成立,就會(huì)發(fā)生頻譜泄漏。絕大多數(shù)情況下所處理的是一個(gè)未知的平穩(wěn)信號,不能保證采樣點(diǎn)數(shù)為周期的整數(shù)倍。頻譜泄漏使給定頻率分量的能量泄漏到相鄰的頻率點(diǎn),從而在測量結(jié)果中引入誤差。選擇合適的窗函數(shù)可以減小頻譜泄漏效應(yīng)。

　　為進(jìn)一步了解窗函數(shù)對頻譜的影響,我們考察一下窗函數(shù)的頻率特性。輸入數(shù)據(jù)通過一個(gè)窗函數(shù)相當(dāng)于原始數(shù)據(jù)的頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積。窗函數(shù)的頻譜由一個(gè)主瓣和幾個(gè)旁瓣組成,主瓣以時(shí)域信號的每個(gè)頻率成份為中心。旁瓣在主瓣的兩側(cè)以一定的間隔衰減至零。FFT產(chǎn)生離散的頻譜,出現(xiàn)在FFT每個(gè)譜線的是在每個(gè)譜線上的連續(xù)卷積頻譜。如果原始信號的頻譜成份與FFT中的譜線完全一致,這種情況下采樣數(shù)據(jù)的長度為信號周期的整數(shù)倍,頻譜中只有主瓣。沒有出現(xiàn)旁瓣的原因是旁瓣正處在窗函數(shù)主瓣兩側(cè)采樣頻率間隔處的零分量點(diǎn)。如果時(shí)間序列的長度不是周期的整數(shù)倍,窗函數(shù)的連續(xù)頻譜將偏離主瓣的中心,頻率偏移量對應(yīng)著信號頻率和FFT頻率分辨率的差異,這個(gè)偏移導(dǎo)致了頻譜中出現(xiàn)旁瓣,所以,窗函數(shù)的旁瓣特性直接影響著各頻譜分量向相鄰頻譜的泄漏寬度。

　　窗函數(shù)特性

　　為簡化窗函數(shù)的選擇,有必要定義一些參數(shù)以便對不同的窗進(jìn)行比較。這些參數(shù)有：-3dB主瓣帶寬、-6dB主瓣帶寬、旁瓣峰值、旁瓣衰減速度(表二)。

　　表二 常用的窗函數(shù)特性參數(shù)

　　每種窗函數(shù)有其自身的特性,不同的窗函數(shù)適用于不同的應(yīng)用。要選擇正確的窗函數(shù),必須先估計(jì)信號的頻譜成份。如若信號中有許多遠(yuǎn)離被測頻率的強(qiáng)干擾頻率分量,應(yīng)選擇旁瓣衰減速度較快的窗函數(shù);如果強(qiáng)干擾頻率分量緊鄰被測頻率時(shí),應(yīng)選擇旁瓣峰值較小的窗函數(shù);如果被測信號含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的頻率成份,應(yīng)選用主瓣很窄的窗函數(shù);如果是單一頻率信號,且要求幅度精度較高,則推薦用寬主瓣的窗函數(shù)。對頻帶較寬或含有多個(gè)頻率成份的信號則采用連續(xù)采樣。絕大多數(shù)應(yīng)用采用漢寧(Hanning)窗即可得到滿意的結(jié)果,因?yàn)樗哂休^好的頻率分辨率和抑制頻譜泄漏的能力。

　　動(dòng)態(tài)參數(shù)： SNR、 SINAD、 THD、SFDR與TTIMD

　　參照上述內(nèi)容,由FFT可利用MATLAB軟件計(jì)算出功率譜、頻譜泄漏、窗函數(shù)、SNR、SINAD、THD、SFDR：

　　SNR=10*log10(Ps/Pn)

　　SINAD=10*log10(Ps/(Pn+Pd))

　　THD=10*log10(Pd/Ph(1))

　　SFDR=10*log10(Ph(1)/max(Ph(2:10)))

　　其中：Ps——信號功率、Pn——噪聲功率、Pd——由二到五次諧波引起的失調(diào)功率、Ph(1)——諧波功率(基波)、Ph(2:10)——二到九次諧波功率。

　　表三 信號頻譜與窗函數(shù)的選擇

　　雙音互調(diào)(TTIMD)的測量非常巧妙,通過功率合成器將兩個(gè)輸入頻率相組合產(chǎn)生互調(diào)成份,用于模擬ADC的互調(diào)失真。選擇輸入頻率時(shí)必須考慮以下條件去優(yōu)化互調(diào)性能：選擇輸入濾波器通帶以內(nèi)的頻率;如果選擇的兩個(gè)輸入頻率非常接近時(shí),還必須選擇正確的窗函數(shù)。然而如果頻率靠得太近,功率合成器會(huì)模擬二次和三次互調(diào)產(chǎn)生的全部互調(diào)分量;兩個(gè)輸入頻率相差太大時(shí)可能需要選用頻率分辨率較低的窗函數(shù)。

　　結(jié)論

　　在從高速ADC中捕獲信號并進(jìn)行分析從而確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能時(shí),需要考慮許多因素。理解基于FFT測量的基本知識(shí)和相關(guān)的計(jì)算、頻譜泄漏效應(yīng),了解如何借助適當(dāng)?shù)臏y試設(shè)備避免頻譜泄漏,掌握布線技巧就能成功地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。