高速高分辨率ADC有效位测试方法研究-AET-电子技术应用

高速高分辨率ADC有效位测试方法研究

来源：电子技术应用2013年第5期

李海涛，李斌康，阮林波，田耕，田晓霞，渠红光，王晶，张雁霞

西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安710024

摘要：介绍了ADC的有效位计算公式，分析了ADC的性能参数测试方法，给出了ADC的有效位测试解决方案。对FFT方法在ADC性能测试中的应用做了深入探讨，包括频谱泄露、相干采样和加窗函数等。采用一种改进的FFT方法对TI公司的ADS5400进行有效位测试，得到其在400 MS/s采样率的有效位ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。

关键词： 数据转换 ADC有效位 FFT ADS5400

中国分类号： TM930.1
文献标识码：A
文章编号： 0258-7998(2013)05-0041-03

Research on the ENOB test methods of high-speed high-resolution ADC

Li Haitao，Li Binkang，Ruan Linbo，Tian Geng，Tian Xiaoxia，Qu Hongguang，Wang Jing，Zhang Yanxia

State Key Lab of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi′an 710024，China

Abstract：The performance parameters of ADC, especially the ENOB, are introduced in the paper. After the discussion of several test methods of ADC performance parameter, a test solution for ENOB is put forward. The application of the FFT method in the ENOB test is analyzed, including spectral leakage, coherent sampling and windowing functions, etc. An improved FFT methods is used in the ADC ENOB test, and the ENOB of ADS5400 working at 400 MS/s is 9.12 bit(fin=1.123 MHz).

Key words :ADC ENOB；FFT；ADS5400

作为连接模拟世界和数字世界的桥梁，ADC的性能影响整个系统的性能。如何对ADC进行性能测试是目前ADC研究的热门领域之一。表征ADC的性能参数分为静态性能参数和动态性能参数。静态性能参数描述ADC的内在特性，主要关注稳定模拟输入与对应数字输出的关系；动态性能参数描述的是ADC采样和重现时序变化信号的能力。用于定量表示ADC动态性能的常用参数有6个，分别是：SINAD(信纳比)、ENOB(有效位数)、SNR(信噪比)、THD(总谐波失真)、THD+N(总谐波失真加噪声)和SFDR(无杂散动态范围)等。在这些动态性能参数中，ENOB是表征ADC的动态性能的重要参数，ADC自身及外部电路产生的噪声和谐波等都可以在该参数中得到反映。

测试ADC性能参数的方法主要有模拟方法和数字方法两种。模拟方法是将ADC得到的采样数据经DAC转换为模拟信号，再使用传统的方法进行测试，该方法引入了DAC的噪声和谐波，因此会影响ADC性能指标；数字方法主要有直方图法、正弦波拟合法和FFT法等[1]，直方图法测试ADC的等效输入噪声等性能参数，正弦波拟合法对ADC的动态性能给出总体描述，FFT方法测试ADC动态性能参数。直方图法和正弦波拟合法引入了信号源的噪声和谐波等外围电路干扰，并且测试的性能参数单一，相比之下，FFT方法可以抑制甚至消除外围电路影响，获得的动态性能参数也较多[2]。本文重点讨论如何采用FFT方法对ADC的ENOB进行测试。

可以看到，相干采样对信号源的频率分辨率和稳定性要求很高。在实际操作时，信号源无法满足条件，需要对采样数据进行加窗函数处理以减少频谱泄漏。
加窗函数时，窗函数的选择非常重要。理想的窗函数是主瓣宽度尽量小、过渡带尽量陡，以使频点能量更加集中。应用较多的窗函数有矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗等。图1给出了相干采样图形和非相干采样图形加窗函数后的功率谱密度。对于相干采样，能量都集中在一个频率点上，平均噪底低；对于非相干采样，出现了频谱泄漏现象，平均噪底被抬高，经过加窗函数处理后，其平均噪底被压低，能量分布得到集中，但是能量依然不如相干采样集中。在测试ADC动态性能参数时，选择一个合适的窗函数很难，不同的窗函数导致测试结果也不一样。

3 使用FFT测试ADS5400
在对ADC的ENOB进行测试时，会引入一定量的噪声和谐波，主要分为两类，一类是ADC自身的噪声和谐波，这是ADC的固有特性；另一类是外围电路引入的噪声和谐波，这些外围设备包括信号源、时钟源等。测试其动态性能参数时，需要抑制或消除外围电路引入的噪声和谐波。本文采用了参考文献[8]提到的ENOB测试方法，利用式(1)得到ADC的ENOB。该方法可以有效抑制信号源的干扰，实现了对ADC的ENOB的客观测量[8-9]。

采用上述步骤对TI公司的ADS5400进行测量，测量平台如图2所示。ADS5400是一款高速高分辨率ADC，采样率范围100 MS/s～1 000 MS/s，分辨率为12 bit。

最终测得，在输入信号频率为1.123 MHz、输入幅度满量程时，ADS5400的SINAD=56.66 dB，有效位ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。对比ADS5400的Datasheet给出的ENOB典型值ENOB=9.34 bit(fin=125 MHz)可以发现，改进的FFT方法很好地抑制了信号源以及其他外围电路的干扰，基本实现了对ADC的ENOB的准确测量。
对ADC动态性能参数进行测试时，要注意抑制或消除ADC自身及外围电路的噪声和谐波引入的干扰。
本文介绍了一种改进的FFT方法用于高速高分辨率ADC的动态性能参数测试，注意到FFT分析采样数据时的频谱泄漏问题，给出了相干采样和加窗函数等解决方案。采用改进的FFT方法对TI公司的ADS5400进行测试，在采样率为400 MS/s的情况下，获得了ADS5400的ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。同时，验证了使用FFT方法测量高速高分辨率ADC的有效位的可行性，该方法可以广泛应用在ADC的动态性能参数测试中。
参考文献
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