為成功的高速ADC正弦波測(cè)試選擇最佳測(cè)試音調(diào)和測(cè)試設(shè)備

較早的應(yīng)用筆記“相干采樣與窗口采樣”涵蓋了相干采樣的基礎(chǔ)知識(shí)。它顯示了使用相干采樣和窗口采樣條件進(jìn)行的測(cè)試之間的差異。以下技術(shù)討論是后續(xù)說(shuō)明，涉及正確選擇測(cè)試音和儀器，以成功測(cè)試和評(píng)估高速ADC的交流性能。

如前面的應(yīng)用筆記1040“相干采樣與窗口采樣”所述，可以使用多種方法來(lái)評(píng)估動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，例如高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的信噪比（SNR）、信噪比和失真（SINAD）、總諧波失真（THD）、互調(diào)失真（IMD）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。然而，相干采樣的概念，一種基于頻率的正弦波測(cè)試，比使用窗口方法產(chǎn)生更準(zhǔn)確和可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果。

在對(duì)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行正弦波測(cè)試時(shí)，不僅需要連續(xù)對(duì)施加的波形進(jìn)行采樣以避免FFT頻譜中出現(xiàn)不必要的偽影，而且還必須精確選擇采樣頻率（f樣本）、輸入測(cè)試音（f在），以及數(shù)據(jù)記錄的大小 （N記錄).對(duì)于任何給定的時(shí)鐘頻率，都存在某些輸入測(cè)試音，這些音調(diào)可以隱藏ADC誤差，而其他頻率則顯示ADC誤差。這些頻率只能變化百分之幾，并產(chǎn)生截然不同的結(jié)果。最佳輸入測(cè)試音為1，有N記錄采樣的不同相，均勻分布在 0 到 2π弧度之間。考慮到這些知識(shí)，相干采樣可以描述為周期信號(hào)的采樣，其中整數(shù)個(gè)周期適合預(yù)定義的采樣窗口。在數(shù)學(xué)上，這表示為

fIN = (NWINDOW/NRECORD) × fSAMPLE,

其中 f在是一個(gè)連續(xù)的正弦輸入信號(hào)，f樣本是ADC的時(shí)鐘/采樣頻率，N窗表示采樣窗口內(nèi)的整數(shù)周期數(shù)，N記錄是采樣窗口或 FFT 的目標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

此外，選擇 N 很重要記錄足夠大，可以為每個(gè)頻率箱產(chǎn)生至少一個(gè)代表性樣本2的轉(zhuǎn)換器。鑒于輸入音的選擇如前所述，理想轉(zhuǎn)換器的傳遞曲線（不包括隨機(jī)噪聲）需要N的最小值記錄待π2N，其中N是被測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。

有兩種常用的方法來(lái)計(jì)算所需的輸入音。以下是這兩種基于相干采樣的方法的示例。假設(shè)ADC（如MAX1190）采用120MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，并用17點(diǎn)FFT記錄分析接近最佳輸入頻率的8192MHz，則以下兩個(gè)步驟為選擇合適的輸入測(cè)試音提供指導(dǎo)。

從 fIN = 17MHz 和 fSAMPLE = 120MHz 開(kāi)始，以確定 8192 點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄 NRECORD 的窗口大小 NWINDOW（請(qǐng)記住，根據(jù)前面的討論，NWINDOW 必須是整數(shù)奇數(shù)或互素?cái)?shù)）。
NWINDOW = int （fIN/fSAMPLE） × NRECORD
NWINDOW = int （17MHz/120MHz） × 8192 = 1160

根據(jù)上述NWINDOW的結(jié)果，下一個(gè)最接近的互素?cái)?shù)（奇數(shù)）是1163（1161）。使用這些數(shù)字中的任何一個(gè)來(lái)計(jì)算最終的、接近最佳的輸入測(cè)試音，如下所示
fIN = fSAMPLE × （NWINDOW/NRECORD）
fIN（MUTUALLY_PRIME） = 120MHz × （1163/8192） = 17.0361328MHz
fIN（奇數(shù)） = 120MHz × （1161/8192） = 17.0068359MHz

不幸的是，這種方法需要一個(gè)高分辨率信號(hào)合成器，能夠支持獲得輸入頻率準(zhǔn)確讀數(shù)所需的所有數(shù)字。另一種方法，將時(shí)鐘頻率從其精確值120MHz偏移，但仍遵守相干采樣規(guī)則，可以克服如此嚴(yán)格的要求。接下來(lái)的五個(gè)步驟表明，通過(guò)在輸入和采樣頻率之間“分配”所需的位數(shù)，可以放寬對(duì)高分辨率儀器的需求。

確定適合 8192 點(diǎn)記錄的采樣頻率的分辨率
Δf = fSAMPLE/NRECORD
Δf = 120MHz/8192 = 14.6484375kHz

市場(chǎng)上一些常用的信號(hào)發(fā)生器可能無(wú)法提供足夠的分辨率來(lái)提供如此多的數(shù)字來(lái)準(zhǔn)確捕獲輸入和采樣頻率。為了繞過(guò)此要求并仍然滿足相干采樣條件，建議根據(jù)下一個(gè)最高整數(shù)選擇Δf。
Δf = int （fSAMPLE/NRECORD） = 15kHz

基于新的 Δf，精確的采樣頻率計(jì)算為
fSAMPLE = Δf × NRECORD
fSAMPLE = 15kHz × 8192 = 122.880MHz

Δf 還有助于確定 NWINDOW 的大小。同樣，使用下一個(gè)最高的整數(shù)奇數(shù)（或互素?cái)?shù)），由所需的輸入測(cè)試音和 Δf 確定。
NWINDOW = int （fIN/Δf）
NWINDOW = 17MHz/15kHz = 1133

基于這些發(fā)現(xiàn)，接近最優(yōu)的輸入測(cè)試音fIN計(jì)算如下
fIN = fSAMPLE × （NWINDOW/NRECORD）
fIN = 122.88MHz （1133/8192） = 16.995MHz

成功進(jìn)行高速ADC測(cè)試的設(shè)備和設(shè)置建議

表1列出了一些推薦的硬件儀器和軟件產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已被證明對(duì)于高速ADC動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和分析非常有價(jià)值。

在這種測(cè)試設(shè)置（圖1）中，最關(guān)鍵的元件可能是合成信號(hào)發(fā)生器，用于生成時(shí)鐘和輸入頻率的波形。合適的信號(hào)發(fā)生器必須具有低相位噪聲;因?yàn)闇y(cè)得的動(dòng)態(tài)參數(shù)（如SNR）會(huì)隨著相位噪聲的增加而急劇下降 “定義和測(cè)試高速ADC中的動(dòng)態(tài)參數(shù)，第1部分?！贝送猓@些信號(hào)合成器必須提供足夠的輸出功率，必須具有鎖相能力，頻率分辨率為0.1Hz或更高，以確保精確的相干性。

圖1.

盡管惠普/安捷倫的HP8662A系列等發(fā)生器相當(dāng)昂貴，并且輸出幅度范圍有限，為-139dBm至+13dBm（0.025μV）有效值至 1V有效值進(jìn)入50Ω負(fù)載），它們滿足所有其他測(cè)試要求，最適合高速轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)測(cè)試。

為了進(jìn)一步降低頻率合成器輸出頻率的諧波失真成分，建議通過(guò)在發(fā)生器和ADC輸入驅(qū)動(dòng)之間應(yīng)用高質(zhì)量帶通來(lái)濾除所需的測(cè)試音。

快速ADC的時(shí)鐘和信號(hào)輸入通常配備真差分輸入架構(gòu)，這需要將信號(hào)發(fā)生器的單端輸出轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。這可以通過(guò)使用外部巴倫或具有中心抽頭和直流隔離的現(xiàn)成變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，后者是表面貼裝元件，應(yīng)集成在特性板上，用于測(cè)試ADC。Maxim的大多數(shù)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器評(píng)估套件都采用此類(lèi)變壓器，強(qiáng)調(diào)阻抗匹配的I/O線，以將不需要的信號(hào)偏斜和相位失配降至最低。

為了捕獲高速ADC并行輸出端口上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，需要快速邏輯分析儀?；萜?安捷倫 HP16500 邏輯分析儀大型機(jī)是一個(gè)絕佳的選擇。對(duì)于大于100MHz的轉(zhuǎn)換器采樣/時(shí)鐘速度，該系統(tǒng)接受高速數(shù)據(jù)采集卡，如HP16517A。該系統(tǒng)的大型機(jī)具有GPIB/HPIB總線，能夠與基于PC的GPIB接口，將數(shù)據(jù)從邏輯分析儀快速傳輸?shù)絇C。當(dāng)然，可以使用儀器內(nèi)置的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但是根據(jù)數(shù)據(jù)記錄的大?。‵FT中的點(diǎn)數(shù)），這可能比僅使用分析儀的GPIB接口花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC后，可以使用MATLAB等信號(hào)處理軟件來(lái)分析來(lái)自邏輯分析儀的數(shù)據(jù)記錄。以下 MATLAB 示例代碼可用于計(jì)算任何高速 ADC 的基本交流規(guī)格。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記提供了一種快速、精確地建立高速ADC動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的方法。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也可以使用高動(dòng)態(tài)性能、高分辨率DAC以及輸出濾波器和頻譜分析儀進(jìn)行分析。但是，這種方法需要仔細(xì)選擇和設(shè)計(jì)重建信號(hào)路徑，以避免偽造ADC的真實(shí)動(dòng)態(tài)性能。一些應(yīng)用甚至可能更喜歡內(nèi)置數(shù)字失真分析儀的測(cè)試系統(tǒng)。即使是邏輯分析儀也可以對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)進(jìn)行快速但不準(zhǔn)確的分析。請(qǐng)記住：為測(cè)試設(shè)置選擇合適的配置完全取決于應(yīng)用程序類(lèi)型、可用的硬件和軟件資源、設(shè)計(jì)時(shí)間以及應(yīng)用程序所需的動(dòng)態(tài)性能結(jié)果的質(zhì)量。