信號(hào)處理機(jī)的高速ADC模塊動(dòng)態(tài)性能在線測(cè)試

　　摘要：在設(shè)計(jì)信號(hào)處理機(jī)的工作中,需要分析模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。本文介紹了一種基于DSP技術(shù)在線測(cè)試信號(hào)處理機(jī)的高速ADC轉(zhuǎn)換電路動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的方法。該方法利用信號(hào)處理機(jī)的本身的DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)。再利用matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出高速ADC模塊的SENAD，SNR 等幾個(gè)主要的動(dòng)態(tài)參數(shù)。實(shí)現(xiàn)了電路板的ADC器件及周邊電路的性能進(jìn)行在線評(píng)估，對(duì)工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)作用。

　　關(guān)鍵字：ADC；動(dòng)態(tài)性能；DSP；matlab；在線測(cè)試

　　高速ADC是信號(hào)處理機(jī)的不可欠缺的組成部分，其性能的好壞對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的整體性能也至關(guān)重要。通常ADC的技術(shù)參數(shù)是由生產(chǎn)廠商提供，可作為設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，但是在電路板上形成的ADC模塊的性能如何，還與ADC的周邊電路或輸入信號(hào)密切相關(guān)，比如參考電壓源、取樣時(shí)鐘、輸入運(yùn)算放大器以及電源，地線和信號(hào)線上的干擾等。因此有必要在線評(píng)估高速ADC模塊的動(dòng)態(tài)性能，分析其對(duì)信號(hào)處理機(jī)系統(tǒng)性能的影響。本文介紹了一種在信號(hào)處理機(jī)實(shí)際設(shè)備上在線評(píng)估高速ADC模塊的動(dòng)態(tài)性能的的方法。該方法利用信號(hào)處理機(jī)本身的數(shù)據(jù)采集能力，通過(guò)在模擬輸入端增加標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，由信號(hào)處理機(jī)的DSP讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)DSP仿真系統(tǒng)將數(shù)據(jù)讀入PC機(jī)，然后利用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，最終計(jì)算出SNR，SENAD等幾項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。本文還給出了具體測(cè)試結(jié)果及其分析，并對(duì)高速ADC模塊設(shè)計(jì)給出了一些意見。

　　一、高速ADC的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)

　　評(píng)估ADC動(dòng)態(tài)性能的主要參數(shù)定義如下：

　　1、信噪比(dB)

　　其中Asignal為滿幅度正弦模擬輸入信號(hào)的均方根值，Anoise為所有噪聲源之和的均方根。

　　2、信噪失真比（SINAD）

　　（dB）

　　其中AHarmonic為各次諧波（除直流外）的頻率分量的均方根之和。

　　3、有效比特位數(shù)（ENOB）

　　其中N是轉(zhuǎn)換電路的量化比特位數(shù)，A測(cè)量誤差下為測(cè)量噪聲平均值，A測(cè)量誤差為量化誤差平均值。

　　4、總諧波失真其中，AF_IN為輸入信號(hào)基波的均方根值，AHD_2下至AHD_N為采樣所得信號(hào)頻域中2次到N次諧波分量的均方根值。

　　5、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍其中，AF_IN為輸入信號(hào)基波分量的均方根值，AHD_MAX為采樣波形頻譜中最大失真諧波分量或最大雜散信號(hào)的均方根值。

　　通過(guò)這些參數(shù)的定義，可以看出高速ADC電路的大部分動(dòng)態(tài)參數(shù)能在頻域上表現(xiàn)出來(lái)；所以對(duì)高速ADC電路進(jìn)行頻域的測(cè)試可以獲得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。

　　二、傳統(tǒng)的測(cè)試方法

　　傳統(tǒng)測(cè)試中，利用一個(gè)精度比被測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路精度高2位以上的DAC產(chǎn)生一個(gè)單頻正弦波作為被測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的測(cè)試信號(hào)，在被測(cè)電路的后端也接一個(gè)DAC將波形恢復(fù)。如圖1。

　　圖1傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)

　　這種測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀。但是在工程實(shí)踐中為了評(píng)估模數(shù)電路必須增加一塊DAC電路，會(huì)與實(shí)際模塊連接困難和引入DAC的誤差。因此在線評(píng)估不好采用。

　　三、基于DSP技術(shù)的測(cè)試方法

　　利用DSP技術(shù)可構(gòu)成簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)構(gòu)，在ADC電路的后端利用數(shù)字信號(hào)處理器將輸出數(shù)據(jù)采集保存起來(lái)，然后利用DSP仿真設(shè)備的JTAG接口將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)中，利用Matlab軟件進(jìn)行相關(guān)頻域處理，以獲得高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性參數(shù)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 基于DSP技術(shù)的測(cè)試結(jié)構(gòu)

　　在這里用基于DSP的頻域分析工具替代了模擬的測(cè)試儀表，可以提供更高精度及可重復(fù)觀察的測(cè)試結(jié)果。將數(shù)據(jù)采集到PC機(jī)中后，在Matlab這一平臺(tái)中將時(shí)域的離散信號(hào)波形通過(guò)DFT（FFT）算法轉(zhuǎn)換到頻域。在頻域中根據(jù)定義求出相關(guān)的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。在輸入信號(hào)沒(méi)有失真的理想情況下，輸入模擬量為正弦波時(shí)，輸出頻譜應(yīng)為頻率等于輸入頻率的沖激函數(shù)圖形。事實(shí)上，ADC的量化誤差，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部各種噪聲，甚至包括測(cè)試系統(tǒng)噪聲，都會(huì)在頻譜圖上噪聲背景中體現(xiàn)出來(lái)?；贔FT信號(hào)分析的基本函數(shù)就是FFT本身和功率譜。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(hào)為周期函數(shù)，周期與時(shí)間序列的長(zhǎng)度相關(guān)。然而如果時(shí)間序列的長(zhǎng)度不是信號(hào)周期的整數(shù)倍，即，就會(huì)發(fā)生頻譜泄漏。這里是輸入信號(hào)頻率；Fsample是采樣頻率；Nwndows窗函數(shù)長(zhǎng)度；Nrecord采樣信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。在測(cè)試中一般選用采用漢寧(Hanning)窗函數(shù)，以減少頻譜泄漏。