AD静态参数和动态参数的测试方法介绍

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。它广泛地应用在信号采集和处理、通信、自动检测和多媒体技术等领域。本文介绍AD静态参数和动态参数的测试方法。

模数转换器的性能参数

静态参数的定义

图1，差分非线性DNL定义为实际转移的台阶电压与理想台阶之差。

式中，N为转换器位数，D为转换器输出的数字码，VD为输出数字码D对应的最小输入电压，VLSB-IDEAL为理想情况下使AD的输出变化一位的最小输入电压。通常（1）式中的最大值被定义为整个模数转换器的差分非线性误差，即：

积分非线性INL：定义为模数转换器的实际转移曲线与理想转移曲线的偏差，公式表达为：

失调：

增益误差：定义为V2N-1与理想值的偏差，

动态参数的定义

模数转换器的动态参数的定义如表1所示。

测试原理

静态参数的测试原理

模数转换的静态测试通常有两种方法——斜波电压测试和码密度测试［2～4］（柱状图测试）。

斜波电压测试是在AD输入端加一缓变的斜波，直接记录AD的转移特性曲线，再利用（1）～（6）式计算AD的静态参数。这是以前比较传统的方案，其优点是原理简单，但是有一些不足：

（1）引入其它误差。由于缓变的斜波是通过一个数字电压计（DVM）产生，尽管这个数字电压计可以做的很精密，噪声很小，但还是会给电路中引入DAC误差，因此16bit以上的ADC很少能用该方法测试。

（2）精度有限。DVM和测量ADC输入转折电压的数字电压表的精度制约测试方案的精度。

（3）效率低。由于要依次测出每个数字码对应的输入电压，因此测一个AD需要很长时间，所以该方案只适合小规模和中等精度ADC的测试。

码密度测试是在AD的输入端加一幅度略大于AD输入范围的低频正弦信号，采集输出数据，统计每个数字码的出现次数N（i），通过数学计算可以得到AD的转移曲线，即数字输出码i对应的输入电压

最后由将（7）式代入（1）～（6）式确定NL、DNL等。

该方案注意以下几点：

（1）输入信号幅度略大于AD输入范围。因为考虑到实际中存在失调，所以只有输入信号大于满量程才能保证全0和全1的数字码都能出现，而且还能减小误差的主要来源——正弦峰值附近的误差。过驱动电压满足：

式中：δ=噪声功率的均方根，B=误差容限。

（2）输入信号的频率与数据采集仪的采样频率成互质关系，这样才能符合统计的随机分布性。

（3）采样的总点数应满足公式（9）：

式中：Nt=采样点数，n=AD精度α=NL、DNL，所需精确度60

由于码密度测试精度高，速度快，所需仪器简便，故采用该方法测试静态特性。

动态参数测试原理

测量模数转换器动态参数的方法是快速傅立叶分析。输入加正弦信号，对输出数据做快速傅立叶变换（FFT），得到输出频域功率谱，依次用表1中的公式计算各项动态参数。

该方法需注意三点：

（1）正弦信号频率与采样频率必须互质;

（2）采样点数必须为2的整数次幂，且采样点恰好覆盖整数个周期，否则会引起频谱泄漏;

（3）为了减小频谱泄漏的影响，采样数据加窗，可选择blackman、hamming、hanning窗等。本方案最终选择blackman窗。

测试流程图

图2是测试的流程图。信号发生器产生正弦信号，仪器选用AgilentE4436B，它输出的信号频率范围为0～50kHz和250k～3GHz，信号经过滤波器滤波，滤波器选用集成芯片MAX274，再经过单双端转换电路得到差分信号，转换电路选用集成芯片AD8138，模数转换器TH0307将差分信号变为数字信号，送入逻辑分析仪进行数据采集，逻辑分析仪选用Agilent16702，最后用MATLAB软件处理数据，计算得到模数转换器的静态和动态参数。时钟发生器选用HP8116A，它可以产生最高50MHz的时钟，参考电压通过一些集成芯片产生。