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模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即Analog-to-Digital Converter，常稱ADC，是指將連續(xù)變量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的器件。大部分現(xiàn)實(shí)世界的電信號(hào)是模擬信號(hào)，ADC構(gòu)建了模擬世界數(shù)字世界的聯(lián)系。本文就模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的分類、技術(shù)點(diǎn)、測(cè)試方案等方面，為您提供相關(guān)技術(shù)說(shuō)明及解決方案。
模數(shù)轉(zhuǎn)換原理
模數(shù)轉(zhuǎn)換器
Analog-to-Digital Converter
ADC的原理：通過(guò)采樣、量化以及編碼電路，將輸入的連續(xù)模擬信號(hào)變換成離散的數(shù)字信號(hào)。采樣將信號(hào)在時(shí)間上離散化，量化將信號(hào)在幅度上離散化。
▲模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理示意圖
ADC芯片追求的主要指標(biāo)有采樣率和垂直分辨率，采樣率與垂直分辨率受到器件工藝的制約。對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，ADC通過(guò)不同的設(shè)計(jì)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的采樣率及垂直分辨率。
▲不同類型ADC采樣率與比特率關(guān)系圖
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵指標(biāo)
Key Indicators of ADC
ADC不是理想的，并且分辨率有限，因此它們?cè)谳敵鲋荒鼙硎居邢迶?shù)量的信息。表示的信息數(shù)量為2N個(gè)，N為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。
例如，假設(shè)選擇一個(gè)12位ADC，則它可在輸出端以4096個(gè)數(shù)字表示施加于轉(zhuǎn)換器輸入端的任何信號(hào)。這些表示信息存在量化誤差。因此，如果12位ADC的輸入滿量程(VFS)為10 Vp-p，那么其理想情況下的LSB大小為2.44 mVp-p，精度為±1.22 mV。
▲ADC量化誤差
ADC的關(guān)鍵指標(biāo)包括：
- 靜態(tài)參數(shù)：DNL微分非線性、INL 積分非線性
- 動(dòng)態(tài)參數(shù)：SNR信噪比、ENOB有效位數(shù)、THD總諧波失真、SFDR 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍
ADC動(dòng)靜態(tài)參數(shù)測(cè)試挑戰(zhàn)
隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)字電路工作速度的提升，以及對(duì)于系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提升，對(duì)于高速、高精度ADC的指標(biāo)提出了很高的要求，很多ADC芯片的采樣率都達(dá)到了百M(fèi)Sa/s甚至GSa/s以上。這意味著ADC不僅需要良好的靜態(tài)性能，而且在比較高的輸入信號(hào)頻率時(shí)需要有良好的動(dòng)態(tài)特性。
ADC的動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試需要借助專業(yè)的儀器設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于研發(fā)及制造ADC芯片的廠商以及使用ADC芯片制作高速采集板卡的設(shè)計(jì)工程師而言，如何驗(yàn)證芯片在板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用時(shí)的真正性能指標(biāo)變得尤為關(guān)鍵。
客戶案例
ADC動(dòng)靜態(tài)參數(shù)測(cè)試
以下是以某公司的4通道14bit垂直分辨率高速ADC為例，對(duì)ADC的動(dòng)靜態(tài)核心性能進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。基本的辦法是在ADC的輸入端輸入一個(gè)理想的正弦信號(hào)，然后對(duì)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及FFT頻譜分析以及統(tǒng)計(jì)分析，最終得到如DNL微分非線性、INL積分非線性、IMD交調(diào)失真、SNR信噪比、ENOB有效比特位數(shù)、SFDR無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍及THD總諧波失真等指標(biāo)。以下是典型的ADC測(cè)試方案：
▲典型的ADC測(cè)試方案示意圖
以動(dòng)態(tài)性能測(cè)試為例，測(cè)試ADC芯片的SNDR無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、THD總諧波失真及ENOB有效比特位數(shù)等指標(biāo)，一般需要通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生純凈的正弦波信號(hào)，輸入到ADC中進(jìn)行采樣，得到的樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PC端的數(shù)據(jù)處理，得到動(dòng)態(tài)頻譜特性，進(jìn)而得到相關(guān)結(jié)果：
▲ADC動(dòng)態(tài)特性測(cè)試流程
▲ADC動(dòng)態(tài)特性測(cè)試頻譜分析及結(jié)果
該測(cè)試方案的關(guān)鍵在于用于輸入ADC芯片或測(cè)試板的正弦波足夠純凈，才可確保ADC采集轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)分析結(jié)果的真實(shí)性。在面對(duì)多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC時(shí)，往往需要多路的信號(hào)發(fā)生器，以往傳統(tǒng)的方案是通過(guò)多臺(tái)信號(hào)信號(hào)發(fā)生器或使用功分器進(jìn)行一路轉(zhuǎn)多路搭建多路的輸入信號(hào)。這種方案成本高、集成度低，且搭建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)需要同時(shí)對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜。
此外，ADC測(cè)試過(guò)程中對(duì)時(shí)鐘頻率和各個(gè)輸入信號(hào)的頻率比例關(guān)系要求非常嚴(yán)格，準(zhǔn)確合適的頻率可以防止FFT計(jì)算時(shí)存在頻譜泄露，使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，這就要求對(duì)多路輸入的正弦波信號(hào)需要有嚴(yán)格的頻率比例關(guān)系。
為解決以上測(cè)試痛點(diǎn)，RIGOL推出了DSG5000系列多通道微波信號(hào)發(fā)生器，單臺(tái)設(shè)備最多可集成8個(gè)微波射頻通道，輸出頻率最高可達(dá)到20 GHz。DSG5000系列多通道微波信號(hào)發(fā)生器采用共參考的設(shè)計(jì)思路，8個(gè)微波射頻通道可獨(dú)立設(shè)置頻率且具備相參特性，可確保輸出多個(gè)不同頻率信號(hào)間頻率比例關(guān)系保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。
DSG5000的多通道輸出可以讓測(cè)試系統(tǒng)搭建更加方便靈活，一通道輸出作為ADC時(shí)鐘信號(hào)，提供非常小的時(shí)鐘抖動(dòng)，發(fā)揮ADC的最佳性能；其他通道作為和時(shí)鐘信號(hào)相參的模擬信號(hào)，提供更加靈活的模擬測(cè)試向量。并且信號(hào)頻率精度可以到0.01 Hz，提供非常精準(zhǔn)的模擬參考信號(hào)，同時(shí)通過(guò)計(jì)算信號(hào)頻率、采樣率和FFT頻點(diǎn)關(guān)系調(diào)整到?jīng)]有頻譜泄露的頻率點(diǎn)，提供更加精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。
▲DSG5000系列微波信號(hào)發(fā)生器簡(jiǎn)化多通道ADC測(cè)試
通過(guò)簡(jiǎn)化后的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試將能夠?qū)崿F(xiàn)SNR、ENOB、SFDR、THD等測(cè)試，同時(shí)DSG5000系列的優(yōu)秀相位噪聲可以準(zhǔn)確地測(cè)量這些參數(shù)。DSG5000系列可以提供多個(gè)頻率輸出，實(shí)現(xiàn)3階交調(diào)(IMD3)、1dB壓縮點(diǎn)(P1dB)測(cè)試，此外，該測(cè)試系統(tǒng)還能一同測(cè)量DNL和INL（碼密度分析）這兩個(gè)直流參數(shù)，簡(jiǎn)化測(cè)試方案，提升測(cè)試效率；并且可以利用多通道相位可以精細(xì)調(diào)節(jié)的特性，進(jìn)行片內(nèi)延遲單元的性能測(cè)試。
DSG5000系列微波信號(hào)發(fā)生器
RIGOL提供的DSG5000系列微波信號(hào)發(fā)生器及產(chǎn)品組合解決方案可以有效提升多路ADC芯片或采集板卡的集成效率及測(cè)試效率。DSG5000系列多通道微波信號(hào)發(fā)生器不僅可以提供多通道純凈的信號(hào)輸入，還可以提供ADC芯片或采集板卡的采樣時(shí)鐘，使用戶進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)時(shí)所需控制的儀器設(shè)備大幅減少。
