模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即Analog-to-Digital Converter，常稱ADC，是指將連續(xù)變量的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的器件。大部分現(xiàn)實世界的電信號是模擬信號，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、測試方案等方面，為您提供相關(guān)技術(shù)說明及解決方案。
模數(shù)轉(zhuǎn)換原理
模數(shù)轉(zhuǎn)換器
Analog-to-Digital Converter
ADC的原理：通過采樣、量化以及編碼電路，將輸入的連續(xù)模擬信號變換成離散的數(shù)字信號。采樣將信號在時間上離散化，量化將信號在幅度上離散化。
▲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。對應不同的應用場景，ADC通過不同的設計架構(gòu)實現(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
Key Indicators of ADC
ADC不是理想的，并且分辨率有限，因此它們在輸出只能表示有限數(shù)量的信息。表示的信息數(shù)量為2N個，N為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。
例如，假設選擇一個12位ADC，則它可在輸出端以4096個數(shù)字表示施加于轉(zhuǎn)換器輸入端的任何信號。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)鍵指標包括：
· 靜態(tài)參數(shù)：DNL微分非線性、INL積分非線性
· 動態(tài)參數(shù)：SNR信噪比、ENOB有效位數(shù)、THD總諧波失真、SFDR無雜散動態(tài)范圍
ADC動靜態(tài)參數(shù)測試挑戰(zhàn)
隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和數(shù)字電路工作速度的提升，以及對于系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提升，對于高速、高精度ADC的指標提出了很高的要求，很多ADC芯片的采樣率都達到了百MSa/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頻率時需要有良好的動態(tài)特性。
ADC的動靜態(tài)性能測試需要借助專業(yè)的儀器設備進行檢測，對于研發(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計工程師而言，如何驗證芯片在板級或系統(tǒng)級應用時的真正性能指標變得尤為關(guān)鍵。
客戶案例
ADC動靜態(tài)參數(shù)測試
以下是以某公司的4通道14bit垂直分辨率高速ADC為例，對ADC的動靜態(tài)核心性能進行驗證測試。基本的辦法是在ADC的輸入端輸入一個理想的正弦信號，然后對ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行采集及FFT頻譜分析以及統(tǒng)計分析，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無雜散動態(tài)范圍及THD總諧波失真等指標。以下是典型的ADC測試方案：
▲典型的ADC測試方案示意圖
以動態(tài)性能測試為例，測試ADC芯片的SNDR無雜散動態(tài)范圍、THD總諧波失真及ENOB有效比特位數(shù)等指標，一般需要通過信號發(fā)生器產(chǎn)生純凈的正弦波信號，輸入到ADC中進行采樣，得到的樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過PC端的數(shù)據(jù)處理，得到動態(tài)頻譜特性，進而得到相關(guān)結(jié)果：
▲ADC動態(tài)特性測試流程
▲ADC動態(tài)特性測試頻譜分析及結(jié)果
該測試方案的關(guān)鍵在于用于輸入ADC芯片或測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)果的真實性。在面對多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC時，往往需要多路的信號發(fā)生器，以往傳統(tǒng)的方案是通過多臺信號信號發(fā)生器或使用功分器進行一路轉(zhuǎn)多路搭建多路的輸入信號。這種方案成本高、集成度低，且搭建測試系統(tǒng)時需要同時對多臺設備進行控制，系統(tǒng)較為復雜。
此外，ADC測試過程中對時鐘頻率和各個輸入信號的頻率比例關(guān)系要求非常嚴格，準確合適的頻率可以防止FFT計算時存在頻譜泄露，使測試結(jié)果更加準確，這就要求對多路輸入的正弦波信號需要有嚴格的頻率比例關(guān)系。
為解決以上測試痛點，RIGOL推出了DSG5000系列多通道微波信號發(fā)生器，單臺設備最多可集成8個微波射頻通道，輸出頻率最高可達到20 GHz。DSG5000系列多通道微波信號發(fā)生器采用共參考的設計思路，8個微波射頻通道可獨立設置頻率且具備相參特性，可確保輸出多個不同頻率信號間頻率比例關(guān)系保持長時間穩(wěn)定。
DSG5000的多通道輸出可以讓測試系統(tǒng)搭建更加方便靈活，一通道輸出作為ADC時鐘信號，提供非常小的時鐘抖動，發(fā)揮ADC的最佳性能；其他通道作為和時鐘信號相參的模擬信號，提供更加靈活的模擬測試向量。并且信號頻率精度可以到0.01 Hz，提供非常精準的模擬參考信號，同時通過計算信號頻率、采樣率和FFT頻點關(guān)系調(diào)整到?jīng)]有頻譜泄露的頻率點，提供更加精準的測量結(jié)果。
▲DSG5000系列微波信號發(fā)生器簡化多通道ADC測試
通過簡化后的測試系統(tǒng)測試將能夠?qū)崿F(xiàn)SNR、ENOB、SFDR、THD等測試，同時DSG5000系列的優(yōu)秀相位噪聲可以準確地測量這些參數(shù)。DSG5000系列可以提供多個頻率輸出，實現(xiàn)3階交調(diào)(IMD3)、1dB壓縮點(P1dB)測試，此外，該測試系統(tǒng)還能一同測量DNL和INL（碼密度分析）這兩個直流參數(shù)，簡化測試方案，提升測試效率；并且可以利用多通道相位可以精細調(diào)節(jié)的特性，進行片內(nèi)延遲單元的性能測試。
DSG5000系列微波信號發(fā)生器
RIGOL提供的DSG5000系列微波信號發(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試效率。DSG5000系列多通道微波信號發(fā)生器不僅可以提供多通道純凈的信號輸入，還可以提供ADC芯片或采集板卡的采樣時鐘，使用戶進行集成開發(fā)時所需控制的儀器設備大幅減少。
