高速ADC、DAC测试原理及测试方法

高速ADC/DAC测试原理及测试方法随着数字信号处理技术和数字电路工作速度的提高，以及对于系统灵敏度等要求的不断提高，对于高速、高精度的ADC、DAC的指标都提出了很高的要求。比如在移动通信、图像采集等应用领域中，一方面要求ADC有比较高的采样率以采集高带宽的输入信号，另一方面又要有比较高的位数以分辨细微的变化。因此，保证ADC/DAC在高速采样情况下的精度是一个很关键的问题。ADC/DAC芯片的性能测试是由芯片生产厂家完成的，需要借助昂贵的半导体测试仪器，但是对于板级和系统级的设计人员来说，更重要的是如何验证芯片在板级或系统级应用上的真正性能指标。一、ADC的主要参数ADC的主要指标分为静态指标和动态指标2大类。静态指标主要有：•DifferentialNon-Linearity(DNL)•IntegralNon-Linearity(INL)•OffsetError•FullScaleGainError动态指标主要有：•Totalharmonicdistortion(THD)•Signal-to-noiseplusdistortion(SINAD)•EffectiveNumberofBits(ENOB)•Signal-to-noiseratio(SNR)•Spuriousfreedynamicrange(SFDR)二、ADC的测试方案要进行ADC这些众多指标的验证，基本的方法是给ADC的输入端输入一个理想的信号，然后对ADC转换以后的数据进行采集和分析，因此，ADC的性能测试需要多台仪器的配合并用软件对测试结果进行分析。下图是一个典型的ADC测试方案：如图所示，由Agilent的ESG或PSG做为信号源产生高精度、高纯净度的正弦波信号送给被测的ADC做为基准信号，ADC会在采样时钟的控制下对这个正弦波进行采样，变换后的结果用逻辑分析仪采集下来。ESG或PSG是非常纯净的模拟源，其相噪特性非常优异，因此可以产成非常纯净的正弦波，以下是PSG的相噪特性：对于高精度ADC的测试来说，测试中需要对ESG或PSG产生的信号进行进一步的滤波以滤去谐波和杂散信号，滤波器的参数要根据用户实际使用的信号频率范围选择。对于高精度的ADC来说，采样时钟的抖动对于测试结果的影响非常大，因此测试中还需要高质量的码型发生器或信号发生器来产生ADC的采样时钟。采用码型发生器的好处是可以直接输出差分的方波信号，和ADC芯片接口比较方便。以下是8113X码型发生器的主要时钟指标：ADC10MHzReferenceSineWaveSamplingClockNbitsDataGP-IBLANPC(withGPIB)AgilentVEEFilterLatchingClockESGPSG8113xAESGSignalConditioningBoardPowerSupply*YellowcoloredblocksareNOTincludedinthissolutionPulseGeneratororSignalGeneratorSignalGenerator16900series码型发生器由于是数字源，其时钟抖动很难控制到1ps以下，因此对于有12bit或更高精度的测试要求时，需要使用ESG或PSG作为时钟源，ESG或PSG是高质量的模拟源，所以其相噪指标非常好.抖动相当于相噪的积分，因此PSG产生的时钟抖动可以1ps。但由于ESG/PSG只能产生单端正弦波信号，所以和ADC接口时有时需要相应的转换电路，这个可参考芯片厂家的参考设计。由于ADC的模拟部分对于数字噪声非常敏感，因此ADC的供电要模拟和数字部分分开，PCB板上还要对模拟部分电源做充分滤波。测试中需要采用高质量的线性电源供电，Agilent的E363X或E364X系列都可以满足要求。ADC转换后的结果要通过逻辑分析仪采集下来，逻辑分析仪工作在状态采样模式，需要使用的通道数取决于ADC的位数，状态采样率取决于ADC的采样率，存储深度取决于采样率和要分析的频率分辨率，同时逻辑分析仪还要能在高速数据传输率下提供可靠灵活的连接。Agilent的16900系列逻辑分析仪配合高性能的16950B采集模块和SoftTouch探头是一个很好的选择。三、ADC测试结果的分析ADC的静态指标是对正弦波的采样数据进行幅度分布的直方图统计间接计算得到，如下图所示，理想正想波的幅度分布应该是左面的形状，由于非线性等的影响，分布可能会变成右边的形状，通过对直方图分析可以得出静态参数的指标。以下是DNL和INL的计算公式：ADC的动态指标是对正弦波的采样数据进行FFT频谱分析间接计算得到。一个理想的正弦波经A/D采样再做频谱分析可能会变成如下图的形状，除了主要的正弦波分量以外还产生了很多噪声、谐波和杂散，通过对这些分量的运算，可以得到ADC的动态参数。下面是动态参数的计算公式：ADC产生的测试数据被逻辑分析仪捕获下来送到测试软件进行分析，这要求逻辑分析仪有比较高的状态采样率和一定的存储深度并能和被测板进行可靠的信号连接。测试软件是基于Agilent的VEE编程环境，实现的功能是对整个测试系统进行控制并对测试结果分析。下图是静态参数的分析结果举例：下图是一个ADC动态参数测量的结果举例：四、ADC测试的配置方案以下是一个推荐的ADC测试系统配置，列出了测试中需要的主要仪器。l正弦信号源：E8257DwithUNXoption；l正弦时钟源：E4438CwithUNJoption；l逻辑分析仪：16901A＋16950B+探头（E5390A、E5382A）；l电源：E3631A;l软件:ADC测试软件l其它：GPIB电缆、82357等根据不同的测试精度、频率、采样率需求，这个配置可能会有相应变化，也有可能会有不同的选件。测试中的ADC测试板、滤波器、时钟变换电路、电缆等附件未包括在内。五、DAC的主要参数DAC的作用是和ADC相反，是把数字量转换成模拟量，虽然有模拟和数字的区别，但是DAC要测试的主要指标与ADC类似，也分为静态指标和动态指标2大类。静态指标主要有：•DifferentialNon-Linearity(DNL)•IntegralNon-Linearity(INL)•OffsetError•FullScaleGainError•ConversionRate•SettlingTime•Rising/FallingTime动态指标主要有：•Totalharmonicdistortion(THD)•Signal-to-noiseplusdistortion(SINAD)•EffectiveNumberofBits(ENOB)•Signal-to-noiseratio(SNR)•Spuriousfreedynamicrange(SFDR)六、DAC的测试方案对于DAC来说，测试方法正好和ADC相反，是在输入端加数字激励信号，在模拟输出端测试其输出性能的指标。下图是一个DAC的测试方案：测试中使用16800或16900逻辑分析的码型发生功能产生需要的测试码型，16800或16900逻辑分析的码型发生器最多可以产生48路并行的码型激励，其数据速率最大300Mb/s，最大码型深度可以达到16M，因此可以产生非常复杂的高速并行码型,其支持的逻辑电平主要有TTL/CMOS/ECL/PECL/LVDS等。下图是16901A逻辑分析仪和码型发生模块16720A。当需要更高速率的码型时，可以使用Agilent的高速并行误码仪ParBert81250提供的高速多通道的数字码型。81250是基于VXI机箱的多通道误码仪，利用其码型发生功能最多可以同时产生132路675Mb/S以下的数字信号，或最多66路3.35Gb/S以下的数字信号，或最多30路13.5Gb/S以下的数字信号。下图是81250的外观。测试中用81130码型发生器产生逻辑分析仪和DAC需要的转换时钟。当需要高质量的时钟源时，也可用正弦波信号源代替码型发生器。码型发生器发出的并行数据经DAC转换成模拟量后送给测试仪器做分析，根据测试项目的不同，需要的测试仪器也不同。对于静态参数的测量用的是万用表和示波器，对于动态参数的测量用的是频谱仪。仪器采集到DAC输出的数据后把测试数据送到测试软件中进行分析，给出测试结果。测试软件同时还完成整个测试系统的控制。七、DAC测试结果的分析对于DAC来说，测试不同参数码型发生器发出的数据是不同的，所用的分析仪器也不同。1、用码型发生器发出数值顺序从0至（2^n－1）的阶梯波，每增加一个数值，用万用表测量一下相应DAC输出端的电压。测量出每个数字输入值对应的真实模拟输出量后就可以得出INL、DNL、GainError、OffsetError等信息。测量中使用的仪器是万用表，Agilent的34411万用表具有6位半（十进制）的分辨率、很好的精度及很快的测量速度，因此可以很好地用于12位以下DAC的测量。对于更高精度的测量，可以选择8位半的数字表3458A。以下是3458A不同电压量程下的测量精度。2、用码型发生器产生数值从0至（2^n－1）来回跳变的三角波，逐渐增加码型发出速度，直至模拟输出低于刚才的满量程范围1LSB。通过这种方法可以判断DAC的ConversionRate。3、用码型发生器产生数值从0至（2^n－1）的阶跃脉冲，用示波器测量输出波形的SettlingTime、Rising/FallingTime等参数。对于建立时间和上升/下降时间的测量需要用到的是示波器，对于仪器的要求是足够的带宽、较低的噪声和比较平坦的频响特性。对于高速DAC芯片的测试，推荐的是Agilent的80000系列示波器，其在2G～13G的带宽范围内提供了非常优异的频响特性和最低的本底噪声，因此可以进行准确的参数测量。具体的带宽需求可以根据下面公式计算：4、对于动态参数的测试，是预先在码型发生器里放入一组正弦波的数字波形，然后送给DAC转换成真正的模拟正弦波信号，用频谱仪对波形的谐波失真、杂散、噪声等做分析。以下是各参数的计算公式。动态参数的测量仪器是频谱仪，对于仪器的要求是要有比较高的频率、幅度测量精度、低的本底噪声和足够的动态范围。Agilent的MXA/PSA系列频谱分析仪是一个很好的选择。5、测试软件可以帮助完成仪器设置和参数的分析。以下是基于AgilentVEE编程环境的DAC软件提供的DAC测量结果。静态参数：动态参数：八、DAC测试的配置方案以下是一个推荐的DAC测试系统配置，列出了测试中需要的主要仪器。l逻辑分析仪：16901A＋16720A码型模块+电平转换接头（16720A－011～052option）；l码型发生器：81130A+2*81132Al万用表：3458Awith002option;l示波器:DSO90254A＋探头l频谱仪：E4443Al电源：E3631A;l软件：DAC测试软件l其它：GPIB电缆、82357等对于300M~3.35G速率的8~14bitDAC测试，可以使用如下配置：l并行误码仪81250(with013、148option)＋SoftwareE4875A-ATO＋E4808Aclockmodule＋8*E4861Bdatamodule+16*E4862B；l万用表：3458Awith002option;l示波器:DSO90604A＋探头l频谱仪：E4443Al电源：E3631A;l软件：DAC测试软件l其它：GPIB电缆、82357等根据不同的测试精度、频率、采样率需求，这个配置可能会有相应变化，也有可能会有不同的选件。测试中的DAC测试板、滤波器、时钟变换电路、电缆等附件未包括在内。