1、前言

　　隨著數(shù)字信號處理技術(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，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的性能測試變得十分重要,。

　　目前的實(shí)時(shí)信號處理機(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的性能測試變得十分重要。

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

　　ADC靜態(tài)測試的方法已研究多年,，國際上已有標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，但靜態(tài)測試不能反映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測試的挑戰(zhàn)及R&S方案

　　ADC測試可分為靜態(tài)測試與動(dòng)態(tài)測試,，靜態(tài)測試的方法已研究多年，國際上已有標(biāo)準(zhǔn)的測試方法,，但靜態(tài)測試不能反映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多域測量能力,。

　　3.  時(shí)鐘替代品：

　　時(shí)鐘性能對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、可測附加相位噪聲,、可進(jìn)行頻譜測量,。

　　5.  性能特性測試：

　　ADC性能參數(shù)直接影響系統(tǒng)整體性能。

　　要求測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,。

　　針對以上挑戰(zhàn),，羅德與施瓦茨提供的測試方案及優(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)鐘源次級輸出

　　掃碼下載R&S信號源產(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；超快相位噪聲測量

　　對隨機(jī)和周期性抖動(dòng)進(jìn)行特性測量,；調(diào)幅噪聲和相位噪聲同步測量

　　5.  性能特性測試方案：

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

　　SMA100B提供超級純凈的模擬輸入信號

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

　　4,、ADC參數(shù)測試方案

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

　　4.1 測試方案1：

　　測試系統(tǒng)包括四臺儀器：一臺信號源SMA100B作為產(chǎn)生高精度、高純凈度的正弦波給待測ADC作為源輸入,，ADC在另外一臺信號源SMA100B提供的采樣時(shí)鐘的控制下對此正弦波進(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SMA100B信號源把10MHz的參考頻率同步起來,，這樣兩臺信號源的相位噪聲在環(huán)路帶寬內(nèi)（1Hz-100Hz）具有相關(guān)性，不會影響測試結(jié)果,。

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

　　時(shí)鐘的抖動(dòng)對于測量結(jié)果的影響非常大，測試中需要低jitter信號發(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,。

　　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的評估板，該評估板上的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,，存儲深度取決于采樣率和要分析的頻率分辨率,。

　　4.2 測試方案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的模擬信號源SMA100B是可同時(shí)提供模擬信號輸出和采樣時(shí)鐘輸出的單臺儀表,，可節(jié)約一臺信號源。

　　5,、ADC測試典型結(jié)果分析

　　5.1 輸入信號質(zhì)量測試

　　使用示波器對輸入信號做FFT分析,，了解信號在不同階段的性能，包括：

　　噪聲電平

　　諧波性能/雜散

　　干擾源等

　　RTO示波器的優(yōu)勢：

　　高動(dòng)態(tài)范圍,，低噪聲

　　硬件準(zhǔn)實(shí)時(shí)FFT

　　測量分析如下圖所示：

　　5.2 輸出信號質(zhì)量測試與分析

　　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，測量并驗(yàn)證輸出數(shù)據(jù)的正確性,，分析信號質(zhì)量,。

　　RTO示波器優(yōu)勢：

　　16通道；最高400MHz開關(guān)速率

　　5GSa/s采樣率,；200Msa/CH存儲

　　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 輸入和輸出信號更容易對照比較。如下圖所示：

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

　　對輸出信號進(jìn)行調(diào)試,。模擬總線顯示有助于發(fā)現(xiàn)信號畸變，如下圖：

　　5.3 編程接口測試

　　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：

　　具有常用低速串行總線的觸發(fā)和解碼功能

　　模擬信號,、數(shù)字信號和總線解碼的時(shí)間相關(guān)測量

　　測量結(jié)果如下圖：

　　6、總結(jié)

　　綜上所述,，面對突飛猛進(jìn)的ADC需求與ADC技術(shù),，羅德與施瓦茨為您提供最優(yōu)測量儀器與解決方案，助您獲得簡便的測試過程與精確的測試結(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)域包括測試與測量,、廣播電視與媒體、航空航天|國防|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)在德國慕尼黑,。全球范圍內(nèi)，公司在70多個(gè)國家設(shè)有子公司并在亞洲和美國設(shè)有區(qū)域中心,。