为成功的高速ADC正弦波测试选择最佳测试音调和测试设备

较早的应用笔记“相干采样与窗口采样”涵盖了相干采样的基础知识。它显示了使用相干采样和窗口采样条件进行的测试之间的差异。以下技术讨论是后续说明，涉及正确选择测试音和仪器，以成功测试和评估高速ADC的交流性能。

如前面的应用笔记1040“相干采样与窗口采样”所述，可以使用多种方法来评估动态性能参数，例如高速数据转换器的信噪比（SNR）、信噪比和失真（SINAD）、总谐波失真（THD）、互调失真（IMD）和无杂散动态范围（SFDR）。然而，相干采样的概念，一种基于频率的正弦波测试，比使用窗口方法产生更准确和可重复的测试结果。

在对高速模数转换器（ADC）进行正弦波测试时，不仅需要连续对施加的波形进行采样以避免FFT频谱中出现不必要的伪影，而且还必须精确选择采样频率（f样本）、输入测试音（f在），以及数据记录的大小 （N记录).对于任何给定的时钟频率，都存在某些输入测试音，这些音调可以隐藏ADC误差，而其他频率则显示ADC误差。这些频率只能变化百分之几，并产生截然不同的结果。最佳输入测试音为1，有N记录采样的不同相，均匀分布在 0 到 2π弧度之间。考虑到这些知识，相干采样可以描述为周期信号的采样，其中整数个周期适合预定义的采样窗口。在数学上，这表示为

fIN = (NWINDOW/NRECORD) × fSAMPLE,

其中 f在是一个连续的正弦输入信号，f样本是ADC的时钟/采样频率，N窗表示采样窗口内的整数周期数，N记录是采样窗口或 FFT 的目标数据点数。

此外，选择 N 很重要记录足够大，可以为每个频率箱产生至少一个代表性样本2的转换器。鉴于输入音的选择如前所述，理想转换器的传递曲线（不包括随机噪声）需要N的最小值记录待π2N，其中N是被测数据转换器的分辨率。

有两种常用的方法来计算所需的输入音。以下是这两种基于相干采样的方法的示例。假设ADC（如MAX1190）采用120MHz时钟驱动，并用17点FFT记录分析接近最佳输入频率的8192MHz，则以下两个步骤为选择合适的输入测试音提供指导。

从 fIN = 17MHz 和 fSAMPLE = 120MHz 开始，以确定 8192 点数据记录 NRECORD 的窗口大小 NWINDOW（请记住，根据前面的讨论，NWINDOW 必须是整数奇数或互素数）。
NWINDOW = int （fIN/fSAMPLE） × NRECORD
NWINDOW = int （17MHz/120MHz） × 8192 = 1160

根据上述NWINDOW的结果，下一个最接近的互素数（奇数）是1163（1161）。使用这些数字中的任何一个来计算最终的、接近最佳的输入测试音，如下所示
fIN = fSAMPLE × （NWINDOW/NRECORD）
fIN（MUTUALLY_PRIME） = 120MHz × （1163/8192） = 17.0361328MHz
fIN（奇数） = 120MHz × （1161/8192） = 17.0068359MHz

不幸的是，这种方法需要一个高分辨率信号合成器，能够支持获得输入频率准确读数所需的所有数字。另一种方法，将时钟频率从其精确值120MHz偏移，但仍遵守相干采样规则，可以克服如此严格的要求。接下来的五个步骤表明，通过在输入和采样频率之间“分配”所需的位数，可以放宽对高分辨率仪器的需求。

确定适合 8192 点记录的采样频率的分辨率
Δf = fSAMPLE/NRECORD
Δf = 120MHz/8192 = 14.6484375kHz

市场上一些常用的信号发生器可能无法提供足够的分辨率来提供如此多的数字来准确捕获输入和采样频率。为了绕过此要求并仍然满足相干采样条件，建议根据下一个最高整数选择Δf。
Δf = int （fSAMPLE/NRECORD） = 15kHz

基于新的 Δf，精确的采样频率计算为
fSAMPLE = Δf × NRECORD
fSAMPLE = 15kHz × 8192 = 122.880MHz

Δf 还有助于确定 NWINDOW 的大小。同样，使用下一个最高的整数奇数（或互素数），由所需的输入测试音和 Δf 确定。
NWINDOW = int （fIN/Δf）
NWINDOW = 17MHz/15kHz = 1133

基于这些发现，接近最优的输入测试音fIN计算如下
fIN = fSAMPLE × （NWINDOW/NRECORD）
fIN = 122.88MHz （1133/8192） = 16.995MHz

成功进行高速ADC测试的设备和设置建议

表1列出了一些推荐的硬件仪器和软件产品，这些产品已被证明对于高速ADC动态性能参数的数据采集和分析非常有价值。

 

设备类型	设备计数和注意事项
合成信号发生器： HP/安捷伦 8662/3A （10kHz 至 1.28/2.56GHz，-139dBm 至 +13dBm）或 HP/安捷伦 8644A （252kHz 至 1.030GHz，-140dBm 至 +20dBm）	2 个用于单通道 ADC 输入和时钟的发生器 3 个用于 IMD 测试的发生器（单通道 ADC）或 3 个用于双通道 ADC 输入的发生器和时钟 4 个用于 IMD 测试的发生器（双通道 ADC）
逻辑分析仪系统： HP/安捷伦 16500C 大型机（或类似机型）（ 1Gsps 状态分析仪卡 HP16517A 可选，适用于采样速度为 >仅限 100MHz）的 ADC）	1 个逻辑分析仪 （默认配置允许评估多达 4 个通道的 ADC，分辨率高达 16 位）
带通滤波器： TTE的Q56 / KC7系列，频率 <100MHz / >100MHz （其他合适的滤波器供应商是Allen Avionics或K&L Microwave ）	1 个用于单通道 ADC 的滤波器 2 个用于同时评估双通道 ADC 的滤波器
功率组合器： 微型电路 15542 ZSC-2-1W（或类似产品）	1 个合路器 （仅用于双音 IMD 评估）
GPIB 兼容 接口 卡： NI GPIB/IEEE-488 接口 卡 + 驱动 和 安装 软件 （PC-/ PCMCIA 卡 或 GPIB-转 USB 端口 适配器）®	1 接口卡 注意：建议使用此卡 用于逻辑分析仪和计算机之间的快速数据传输;需要基于 C 的软件平台（例如 LabWindows/CVI）来控制接口。也可以从逻辑中提取数据 带有软盘的分析器。
数据分析软件： The Math Works Inc. 的 MATLAB 或 National Instruments 的 LabWindows/CVI 测量工作室	每个软件包 1 个 许可证 注意： LabWindows/CVI 提供 了 一个 基于 C 的平台 来 控制 逻辑 分析 仪 和 PC 之间 的 接口

 

在这种测试设置（图1）中，最关键的元件可能是合成信号发生器，用于生成时钟和输入频率的波形。合适的信号发生器必须具有低相位噪声;因为测得的动态参数（如SNR）会随着相位噪声的增加而急剧下降 “定义和测试高速ADC中的动态参数，第1部分。”此外，这些信号合成器必须提供足够的输出功率，必须具有锁相能力，频率分辨率为0.1Hz或更高，以确保精确的相干性。

图1.

尽管惠普/安捷伦的HP8662A系列等发生器相当昂贵，并且输出幅度范围有限，为-139dBm至+13dBm（0.025μV）有效值至 1V有效值进入50Ω负载），它们满足所有其他测试要求，最适合高速转换器的动态测试。

为了进一步降低频率合成器输出频率的谐波失真成分，建议通过在发生器和ADC输入驱动之间应用高质量带通来滤除所需的测试音。

快速ADC的时钟和信号输入通常配备真差分输入架构，这需要将信号发生器的单端输出转换为差分信号。这可以通过使用外部巴伦或具有中心抽头和直流隔离的现成变压器来实现。通常，后者是表面贴装元件，应集成在特性板上，用于测试ADC。Maxim的大多数高速数据转换器评估套件都采用此类变压器，强调阻抗匹配的I/O线，以将不需要的信号偏斜和相位失配降至最低。

为了捕获高速ADC并行输出端口上的数字数据，需要快速逻辑分析仪。惠普/安捷伦 HP16500 逻辑分析仪大型机是一个绝佳的选择。对于大于100MHz的转换器采样/时钟速度，该系统接受高速数据采集卡，如HP16517A。该系统的大型机具有GPIB/HPIB总线，能够与基于PC的GPIB接口，将数据从逻辑分析仪快速传输到PC。当然，可以使用仪器内置的软盘驱动器来存储数据，但是根据数据记录的大小（FFT中的点数），这可能比仅使用分析仪的GPIB接口花费更长的时间。将数据发送到PC后，可以使用MATLAB等信号处理软件来分析来自逻辑分析仪的数据记录。以下 MATLAB 示例代码可用于计算任何高速 ADC 的基本交流规格。

结论

本应用笔记提供了一种快速、精确地建立高速ADC动态性能参数的方法。数字数据也可以使用高动态性能、高分辨率DAC以及输出滤波器和频谱分析仪进行分析。但是，这种方法需要仔细选择和设计重建信号路径，以避免伪造ADC的真实动态性能。一些应用甚至可能更喜欢内置数字失真分析仪的测试系统。即使是逻辑分析仪也可以对数字输出信号进行快速但不准确的分析。请记住：为测试设置选择合适的配置完全取决于应用程序类型、可用的硬件和软件资源、设计时间以及应用程序所需的动态性能结果的质量。