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高速ADC原理及測試方法,讀這一篇就夠了

發(fā)布時間:2025-03-26 16:44:25 熱度:2074

3/26/2025,光纖在線訊,ADC(Analog-to-Digital Converter 模擬數字轉換器)。通常來說,自然界產生的信號,其實都是模擬信號,像我們說話的聲音,看到的圖像,感受到的溫度等等。但是這些模擬信號在電子產品中最終都得以數字信號的方式進行處理,存儲或者傳輸,那如何把模擬信號轉換成數字信號呢?所以,我們就需要模數轉換器ADC了。

      
      DAC(Digital-to-Analog Converter 數字模擬轉換器)。與 ADC 相反,DAC 是將數字信號轉換為模擬信號的器件。在電子系統(tǒng)中,當需要將數字處理后的信息還原為模擬形式以便人們感知或驅動模擬設備時,就需要用到 DAC。

      隨著數字信號處理技術和數字電路工作速度的提高,以及對于系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高,對于高速、高精度的ADC/DAC的指標都提出了很高的要求。高速 ADC(模數轉換器)在當今的5G/6G基站、衛(wèi)星通信載荷、地面終端、信號處理板、儀器儀表等領域中扮演著極為關鍵的角色。其性能在很大程度上決定了整機的性能指標,因此對ADC性能參數進行精確的測量必不可少。

      為方便與大家交流,中星聯華創(chuàng)建-中星聯華ADC DAC技術交流群,大家有關于ADC/DAC的相關問題可以掃碼交流。

   
      下面對ADC的工作原理及選型、測試項目、測試方法等進行全面剖析。

ADC工作原理解析和選型

      
      ADC轉換中,輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的,輸出的數字信號在時間上是離散的,所以進行轉換時只能按一定的時間間隔對輸入的模擬信號進行采樣,然后把采樣的值轉換為輸出的數字量,通常A/D轉換要經過采樣、保持、量化、編碼四個步驟,這些步驟共同構成了ADC將模擬信號轉換為數字信號的完整過程。

采樣和保持
      采樣是將時間上連續(xù)變化的信號,轉換為時間上離散的信號,即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖,脈沖的幅度取決于輸入模擬量。如果把模擬信號比作無限采樣點的數字信號,那么我們就需要采取其中一些有限點才能進行真正的數字化傳輸。那么要采多少點?怎么采?

      采樣需遵循奈奎斯特(Nyquist)采樣定理,當采樣頻率大于模擬信號中最高頻率成分的兩倍時,采樣值才能不失真地反映原來模擬信號。模擬信號經采樣后,得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的,在下一個采樣脈沖到來之前,應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度,以便進行轉換。因此,在采樣電路之后須加保持電路。

      
量化和編碼
      量化:輸入的模擬信號電壓經過采樣保持后,得到的是階梯波。而該階梯波仍然是一個可以連續(xù)取值的模擬量。將采樣后的樣值脈沖電平歸化到與之接近的離散電平之上,這個過程稱為量化,而相鄰兩個量化電平之間的差異,即為我們所說的量化單位Δ,也即1LSB。位數越多,量化的等級就越細致,相應的Δ值也就越小,量化等級越細,量化誤差越小。

      編碼:就是利用二進制01代碼來表示量化后的量化電平。

      量化編碼之后ADC就將輸入的模擬信號轉換為數字信號輸出。

  
ADC產品主要類型
      主流ADC的類別有:積分型(如雙斜率ADC)、Sigma-Delta ADC、逐次逼近型( SAR ADC )、流水線型(Pipeline ADC)、閃存型(Flash ADC)、時間交織型(TIADC),每種ADC的使用場景不相同,用戶需要綜合考慮對比ADC的速度、精度、成本、功耗等選擇合適的ADC。

  
ADC主要技術參數
-  分辨率

      ADC的分辨率表示ADC對輸入信號的分辨能力,其根據滿程電壓和ADC輸出二進制數的位數決定,如下所示:不同的滿程電壓下,分辨率不同;不同的ADC輸出二進制數的位數,分辨率也不同。

-  轉換誤差
      轉換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式(即上面所述的量化誤差)給出。它表示ADC實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。例如量化誤差為±Δ/2或±LSB/2,這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于 Δ/2或LSB/2。

-  轉換速率(采樣率)
      轉速速率是指ADC從轉換控制信號到來開始,到輸出端得到穩(wěn)定的數字信號所經過的時間的倒數。ADC的轉換速率與轉換電路的類型有關,不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。

ADC主要測試項目
      ADC 測試可分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩部分。

      靜態(tài)測試主要關注穩(wěn)定的模擬輸入與對應的數字輸出編碼之間的關系,包括ADC的增益誤差、失調誤差、失碼、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)等;

      動態(tài)測試主要關注ADC在交流條件情況下的性能表現,常規(guī)測量參數有信納比(SINAD)、信噪比(SNR)、有效位(ENOB)、總諧波失真(THD)、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、互調失真(IMD)等;

      除此之外,針對具體應用如5G或衛(wèi)星等可能還會拿實際信號進行進一步測試,以5G為例,測試項目包括EVM等參數。靜態(tài)性能參數的測試相對簡單,使用的測試方法也比較成熟,這篇文檔我們主要討論動態(tài)測試相關內容。

根據動態(tài)測試信號種類的不同,又可分類為單音、雙音和實際信號三種,不同測試信號支持的測試項目如下:
-   單音測試 : SFDR、SINAD、SNR、THD、ENOB;
      1. 信噪比(SNR) :Signal-to-noise ratio,指信號均方根振幅與除去前六個諧波和直流之外的所有頻譜分量均方根和之比,隨著輸入電平的降低, SNR往往按分貝線性遞減,單位:dB。

      2. 信納比 (SINAD) :Signal-to-noise plus distortion,信號均方根振幅與所有頻譜分量(包括諧波但不含直流)均方根和之比,SNR與SINAD之間的差異即 是前六個諧波所含能量,單位:dB。

      3. 無雜散動態(tài)范圍(SFDR):Spurious free dynamic range,SFDR是基頻功率與最高的雜散功率之比,SFDR為ADC輸入信號的一種諧波,單位: dBc 。

      4. 總諧波失真(THD):Total harmonic distortion,一般來說,THD是信號均方根能量與前六個諧波之和的均方根值之比,單位:dBc。5. 有效位數(ENOB):Effective Number of Bits,ENOB可以根據SINAD直接推導,ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02, 單位:Bits

     
-   雙音測試 : IMD
      如果多音信號通過一個存在非線性度的轉換器,就會產生交調失真(IMD),一般利用雙音測試IMD。 ? ?

-   實際信號測試
      如果ADC用于特定的應用場景,可能需要用對應場景的實際信號來測試ADC性能,例如:用于通信領域,一般利用數字調制信號來測試EVM值,來評估ADC的性能。

ADC動態(tài)測試方法
      ADC動態(tài)測試方案包括了模擬信號輸入、采樣時鐘信號、ADC評估板以及PC端分析軟件。ADC動態(tài)參數測試結果不僅包括ADC自身噪聲和雜散,還包括模擬信號輸入帶來的諧波、非諧波和寬帶噪聲,以及采樣時鐘信號帶來的抖動等各種外部因素。為了能準確測量ADC的各個性能指標,必須把各類測量儀表引入的誤差盡可能降至最低。

     
-   ADC動態(tài)測試
      1.動態(tài)測試挑戰(zhàn)隨著ADC的速度越來越快,精度越來越高10bit,12bit,14bit,16bit。為了精確測試ADC的SFDR/ENOB/SNR/SINAD/THD等參數,需要給ADC提供超低相噪時鐘信號輸入和模擬信號輸入,對輸入信號質量有非??量痰囊螅拍鼙WC測試準確,第二就是需要多路信號同時輸入,一路給ADC模擬信號輸入,一路是ADC時鐘信號輸入。

     故而,ADC動態(tài)參數測試面臨三個嚴峻的問題:多通道、極低的寬帶噪聲和抖動、更低的諧波。

·    多通道:模擬信號輸入和時鐘輸入;
·    極低的寬帶噪聲和抖動:確保ADC測試的ENOB/SNR/SINAD指標要求;
·    更低的諧波:無需外加濾波器,直接就能得到ADC真實的THD性能。

2.ADC動態(tài)測試傳統(tǒng)測試方案
      傳統(tǒng)的ADC動態(tài)測試方案,利用多臺單通道模擬信號源,一臺是模擬信號輸入,一臺是ADC采樣時鐘信號輸入,有時候還需要第三臺給FPGA提供參考時鐘信號輸入。

  
兩臺信號源ADC測試


      
三臺信號源ADC測試

3.中星聯華ADC動態(tài)測試方案
      為解決ADC測試痛點,中星聯華提供Pro系列信號源具有超低相位噪聲,可輸出非常純凈的信號,而且支持多通道相參信號輸出,一臺儀器同時為ADC測試提供模擬信號輸入和時鐘信號輸入,一臺頂多臺,保證了ADC測試的SFDR/ENOB/SNR/THD/SINAD等參數的精確測量,是目前業(yè)內唯二能夠滿足上述苛刻條件的信號源廠家,有效解決“卡脖子”難題。

   
測試結果

  
-   ADC的IMD互調失真測試
      中星聯華的多通道超低相噪信號源支持直接輸出雙音信號來驗證IMD指標。

      
-   ADC的EVM測試
      中星聯華的矢量信號源支持輸出各種數字調制信號、OFDM信號、5G-NR信號來驗證ADC的EVM指標。

      
      
-   多路ADC測試
      在很多電子系統(tǒng)(如雷達、通信接收機等)中,由于相控陣/陣列天線以及 MIMO等技術的使用,接收機通常需要多個通道,因此需要多通道ADC電路來對數據進行采樣。然而,由于采樣電路的路數很多,當存在多片ADC芯片并行工作時,會出現不同的通道差異。這些差異會增大后期信號處理的誤差,降低整個系統(tǒng)的性能,因此需要對多路ADC通道進行一致性評估與測試。

傳統(tǒng)多路ADC測試方案——功分器分成多路信號:

  
傳統(tǒng)多路ADC測試方案——多臺信號源:

  
      前者利用分路進行測試,輸出信號經過多次衰減,信號功率低,可能無法滿足測試的要求,后者需要多臺信號源,搭建系統(tǒng)復雜且成本高昂。

      使用中星聯華科技多通道信號源,可以解決上述問題。由于設備里多個通道之間是嚴格相參的,因此可以精確控制進行多路ADC測試。

中星聯華多路ADC測試方案:

  
      多通道信號源多個通道之間是嚴格相參的,可以精確控制進行測試。一臺頂多臺,將測試時間和成本省下來。

DAC測試

      
      DAC是把一串數字信號轉成模擬信號,在DAC的測試中也需要超低相噪的時鐘信號輸入。

      中星聯華Pro系列信號源為DAC測試提供業(yè)內領先的超低相噪的時鐘輸入信號,保證了DAC驗證的精確測量。

測試結果:

  
-   JESD204B在高速ADC/DAC中的測試
      JESD204B是幾種常見的ADC到FPGA的接口,采用高速串行接口方式,極大減少物理連接數;使用8b/10b編碼,提升數據傳輸穩(wěn)定性;單Lane速率可達16Gbps,遠超LVDS,是現代ADC到FPGA連接的主流方案。

    
      JESD204B面向高速、高分辨率數據轉換器的16Gbps串行接口標準,對JESD204B接口進行測試是非常必要的。

      抖動、眼圖模板、幅度,上升時間、下降時間等參數是用于評估JESD204B鏈路信號質量的重要指標。利用實時示波器對這些指標進行測試,利用誤碼儀對其Rx接收端的抖動容限進行測試。?JESD204B Tx/Rx測試框圖:

      
中星聯華產品特色
-    超低相噪多通道微波信號源

      SLFS-Pro系列超低相噪微波信號源具有低相噪、多通道、功率準、頻譜純、寬頻率、廣兼容的特點,為ADC/DAC用戶帶來全球尖端測試測量儀器新選擇!

      
-    高性能誤碼儀
產品特色:
·     模塊化:多通道靈活配置,單機支持32發(fā)32收;
·     高速率:1G-120Gbps,數據速率靈活可調;
·     壓力眼:注抖加噪,讓信號擁有72般變化;
·     UDP:最大可支持16Gbit超長用戶自定義碼型。

      中星聯華高性能誤碼分析儀具有模塊化設計、靈活的通道配置、高速率、注抖加噪創(chuàng)建壓力眼信號、超長用戶自定義碼型等業(yè)內領先的核心技術,可滿足高速JESD204B/C Rx接收端抖動容限測試的苛刻測試需求。

      
總結
      高速ADC作為自動駕駛汽車、5G基站、衛(wèi)星、雷達等設備中接收機鏈路的關鍵部件,其性能很大程度決定了整機性能指標,因此ADC性能參數的精確測量必不可少。中星聯華的SLFSP超低相噪信號源以其優(yōu)異的諧波/非諧波/相噪/寬帶底噪性能以及獨一無二的多通道輸出,助力高性能ADC的精確測試和性能提升。

關于中星聯華科技
      中星聯華科技(Sinolink Technologies)成立于2009年,長期從事高頻率、高速率、大帶寬、寬頻帶測試測量技術研發(fā),為衛(wèi)星通信、雷達、復雜電磁環(huán)境等傳統(tǒng)應用領域及5G移動通信、高速互連等新興行業(yè)提供穩(wěn)定可靠、性能卓越的專屬測試測量工具。

      聚焦成就專業(yè),創(chuàng)新服務應用。深度理解行業(yè)應用,依托傳統(tǒng)測試測量理論和技術,協(xié)同行業(yè)領軍精英共同致力于改善測試工具的實用性、便捷性和經濟性,幫助工程師將更多時間與精力投入到研發(fā)、生產的本身。以創(chuàng)新測試工具加速相關領域技術發(fā)展,推動所服務行業(yè)的迭代更新,為人類文明進步增磚添瓦。

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