SPEA—ADC与DAC测试简介

 

如今，有大量应用都依赖于数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）。它们在信号处理中非常重要，因为它们构建了数字系统和模拟系统之间的桥梁。通过使数字电路能够与模拟组件交互，ADC和DAC在音频处理、电信、数据采集系统等领域发挥着关键作用。

 

DAC与ADC的作用

 

模数转换器是现代数据采集系统（DAQ或DAS系统）中的基本构建模块。它们将调节后的模拟信号转换为数字数据流，使数据采集系统能够处理、显示、存储和分析这些信息。该转换过程中的高精度非常重要，因为即使是细微的误差也可能影响下游的分析和处理。

另一方面，数模转换器是数字音频存储、流媒体传输和传输等应用不可缺少的部分。DAC将数字数据转换为模拟信号，确保音频再现和其他模拟输出应用中的高保真度。ADC和DAC都需要进行测试以确保最佳性能，特别关注最大采样率、位分辨率、总谐波失真（THD）、噪声、信噪比（SNR）、积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）、有效位数（ENOB）和抖动等参数。

 

ADC的关键测试方法

 

测试ADC和DAC设备涉及多种技术，具体方法针是对每个转换器的独特功能进行定制。主要的测试根据目标应用的不同而有所变化，无论是视频处理、成像、电信、控制系统还是音频处理。下表汇总了不同应用最常见的测试：

 

ADC静态测试

积分非线性INL及微分非线性DNL

 

ADC测试通常涉及测量关键性能指标，通常包括：

偏移误差

 

 

增益误差

 

 

微分非线性

 

 

积分非线性

 

 

失码

 

 

 

为了测试DNL和INL，向ADC的输入端施加一个信号，并分析输出码的出现情况。与DAC测试不同，在DAC测试中，数字码被施加，并且使用精密电压表测量相应的模拟输出；而在ADC测试中，需要确认“决策层”——即码边界处的精确输入电压。

 

线性斜坡的直方图测试

在这种情况下，施加一个线性斜坡信号，并分析每个输出码的出现次数（或命中数）。理想情况下，每个码应该出现得同样频繁。如果一个码出现得比其他码更频繁，则表示该步长更宽，DNL为正。相反，如果一个码出现得较少，则表示该步长较小，DNL为负。一旦 DNL 被确定，INL 就由 DNL 值的累积和得出。

 

 

线性斜坡直方图测试也称为码密度测试，是测试ADC静态参数最常用的方法。

 

 

 

正弦波输入直方图测试

直方图方法使用正弦波信号作为ADC的输入。与其他信号形式（如线性斜坡）相比，生成纯正弦波通常更简单。然而，正弦波的电压分布不均匀，更多的电压阶跃集中在较低和较高的电压范围内。

 

在此方法中，分析 ADC 的输出以评估转换器在不同电压下的性能。对于 DAC，高精度数字通道与低噪声正弦波发生器相结合，可评估这些电压范围内的性能，从而确保最小的失真和噪声。

 

 

ADC动态测试ADC测试中的噪声源
 

准确的ADC测试必须考虑各种噪声源，因为噪声会显著降低数据转换器的性能。三个主要的噪声源包括：

 

数字信号上的抖动：抖动会在采集瞬间引入误差，导致采集信号不准确。减小抖动可以改善信噪比（SNR）。

波形发生器噪声：用于测试目的的信号质量直接影响测试结果。测试设备的SNR必须高于被测设备（DUT），以确保可靠的结果。

1. 电压基准和电源中的噪声：ADC的电压基准（Vref）或电源中的噪声会转化为输出噪声以及偏移和增益误差。为了更准确的测试，建议使用外部电压基准，并且必须通过参数（如电源抑制比（PSRR））精准控制电源噪声。

 

 

DAC测试相对简单，但仍需精确

 

与ADC测试相比，DAC测试通常要求较低。该过程涉及向DAC施加一系列数字码，并使用高精度数字电压表（DVM）测量相应的模拟输出。这可以直接进行DNL（微分非线性）和INL（积分非线性）测量。虽然DAC测试不那么复杂，但仍然需要高精度数字化仪以确保准确结果。
 

在数字化仪精度不足的情况下，可以采用额外的测试策略来提高测量精度：

基座测试：这种方法涉及从DAC输出中减去一个已知的基座电压，以提高小信号测量的准确性。

 

补偿源差分放大器：此技术使用差分放大器来抵消噪声或不需要的信号分量，进一步提高DNL和INL测量的准确性。

 

这些方法允许进行更精确的测量，确保检测到并校正DAC性能中的最小不准确之处。

 

基座测试

当需要更高精度时，基座测试可以增强DAC测试的精度。数字处理仪器的斜坡发生器可以通过内部连接用作数字化仪的基座，而不是仅仅依赖数字化仪。首先使用高精度系统电压表对斜坡进行预表征，确保充分了解其特性。这种方法允许数字化仪在较小的范围内工作，显著提高其测量分辨率，并能够更精确地测试DAC输出。
补偿源差分放大器

对于基座配置也无法提供所需精度的情况，可以采用补偿源差分放大器技术。在这种方法中，一个高稳定性电压源作为“补偿”电压施加到被测DAC上。补偿源的输出点由高精度系统电压表（如HP3458A）进行预表征，以确保获得精确的参考值。

 

 

补偿源和DAC形成差分输入给高稳定性、低漂移的可编程增益放大器（PGA）。PGA放大DAC输出与补偿源之间的差值。这种方法隔离了预期输出和实际输出之间的小差异，从而能够高度准确地测量DAC的性能。通过逐点差异测量最小有效位（LSB）步长来计算DNL（微分非线性），然后对这些结果进行积分以确定INL（积分非线性）。

SPEA 的 ADC 和 DAC 测试解决方案

测试ADC和DAC设备需要能够提供高质量数字信号和精确模拟源的复杂设备。SPEA的DOT 系列测试仪提供了准确性和性能的完美结合。SPEA设备的高精度数字通道、高信噪比和低总谐波失真使其成为ADC和DAC全面测试的理想选择。

对于DAC测试，SPEA仪器提供高精度的模拟测量，从而实现精确的性能评估。对于ADC测试，SPEA的测试仪提供低抖动的高质量数字信号，以及具有高光谱纯度和信噪比的模拟源，这对于进行线性测试和噪声分析至关重要。