關于ADC有效位數測試方法及工程應用

梁素龍　高蕊

摘要：在進行雷達信號處理時，需要對回波的數據進行下變頻以及A/D轉換。此時ADC的性能直接影響后續的處理效果。ADC的靜態特性和動態特性中一個很重要的指標就是有效位數。具體測試中首先通過MATLAB對數據進行FFT仿真分析，通過Hanning窗來防止頻譜泄露，之后對有效位數公式進行轉換得出改進后的正弦波測試方法。經過驗證該方法在工程應用中獲得較好的效果。

關鍵詞：ADC；信噪比；有效位；快速傅里葉變換

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

Abstract：At the time of radar signal processing，need to echo data down-conversion and A/D conversion.

The performance of ADC directly affect processing effect.ENOB is a very important parameter in static characteristic and dynamic characteristic.In test，through MATLAB simulation analysis of FFT in the first step，and prevent the spectrum leakage by Hanning window.Then conclude the improved sine wave test method by formula conversion of ENOB.Good effects were obtained in application test.

Key words：A/D converter；SNR；ENOB（effective number of bits）；FFT

0引言

為方便數字信號處理，接收前端往往會通過A/D芯片對模擬信號轉換為數字信號。在實際工程應用中一方面要求ADC有比較高的采樣率以獲得高帶寬的輸入信號，另一方面又要有比較高的bit位數從而分辨信號細微的變化。因此高速采樣情況下轉換的精度是一個關鍵的問題。同時在硬件設計時要考慮到ADC板的可測試性，只有通過相關的測試才能確定電路的性能以及PCB板設計是否合理。[8]因此有必要對ADC芯片相關參數有進一步的理解。

文中通過對A/D芯片參數的介紹，以及MATLAB的仿真，并對芯片手冊中的公式進行簡化。最終通過實測結果驗證方法的可靠性。

1ADC的主要靜態特性參數

靜態特性參數主要包括失調誤差、增益誤差、微分非線性誤差（DNL）、積分非線性誤差（INL）。在進行ADC靜態參數測試時，采用碼密度直方圖測試法。由于該測試方法是通過概率的方式進行的因此需要大量的測試樣本。

2ADC的主要動態特性參數

動態特性參數主要包括信噪比、有效位數、無雜散動態范圍、總諧波失真等，下面對上述參數逐個詳細說明。

21信噪比SNR（Signalto Noise Ratio）

信噪比SNR指的是輸入信號和噪聲（不包括任何諧波和直流）的功率比，是一種用于定義器件內部噪聲大小的基本參數。理想情況下表達式為：

SNR=6.02N+1.76 dB（1）

其中N表示比特位數。

22有效位數ENOB（Effective Number of Bits）

有效位數是將傳輸信號轉換成等效比特分辨率。芯片手冊中給出ENOB，單位為bits。表達式為：

ENOB=SINAD-1.766.02（2）

其中SINAD（Signal to Noise And Distortion）是信納比，指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，在實際應用中希望SINAD的值越趨近于SNR值越好。1.76為理想ADC的量化噪聲。

23無雜散動態范圍SFDR（Spuriousfree Dynamic Range）

SFDR是指基本頻率與雜波信號最大值之比，負責表征量化整個系統的失真的指標。由于雜波通常表示器件輸入與輸出之間的非線性，因此產生與各個諧波中。

24總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）

THD是指輸入信號與所有諧波的總功率比。總諧波失真用以表達其對信號的諧波含量的作用或者影響，提供了系統對稱和非對稱非線性產生的總失真大小。

3動態測試方法

ADC的動態測試方法一般采用FFT的方法，該測試方式可以同時對多個頻率進行采樣，測試效率比較高并且可以充分利用。同時也可以全面的反映出ADC的動態參數。

進行理論仿真測試時設輸入信號幅度為0.8Vpp，頻率30 MHz，無噪聲，ADC采樣時鐘為40 MHz，量化位數為14bit，進行仿真頻域圖如圖1所示：

從圖上可以得出其信噪比較差，信號寬度過大。信噪比=23.9957，有效位數=3.6935。和實際14bit相差甚遠。通過實驗，hanning窗可以有效抑制譜泄露，仿真結果如圖2所示：

從圖上可以得到信噪比= 84.4200，有效位數= 13.7307，與理論值14bit基本接近，符合仿真輸入的條件。

4改進正弦波測試

實際中采用芯片為ADI公司的AD6645，該芯片是一款高速、高性能、14位模數轉換器。在測試時具體過程為：由信號源生成正弦波輸入到待測試的ADC芯片后，經過ADC芯片轉換為數字信號，將所得到的數字信號進行采集和存儲后，送入PC機通過MATLAB對數據進行FFT變換從而計算出相關的動態參數。endprint

但是測試時信號源不可能輸出理想的正弦波，而是包含噪聲和諧波分量的信號，表達式如下：

其中第一項A02是常數項，是直流分量；Ancos（nΩt+φn）為n次諧波，An為n次諧波的振幅，φn是其初相角。由此可表明周期信號可以分解為各次諧波分量。n（t）為包含噪聲。

對于信號源性能是由信噪比SNR指標來衡量的，并且任何一個信號源的信噪比在相當大范圍內基本不會變化，換句話說當輸出信號幅度衰減k倍時，噪聲功率將衰減k2倍。輸出信號諧波幅度一般也是和信號幅度按同比衰減。而對于ADC系統而言固有的噪聲則是和輸入信號幅度不相關的，并不會受輸入信號幅度的影響。[5]因此當信號幅度衰減k倍時，測量得到的信噪諧波比可表示為：

SINAD=10lgSIN2/k2NIN2/k2+N2ADC （4）

其中SIN是信號源輸入信號幅值，即有用信號；NADC是ADC 系統固有的噪聲影響，該參數在測量結果中會有所反映。而NIN則是由信號源測試設備帶來的，該參數在測試中不是關注對象，因而要求在測試過程中想辦法去掉該項的影響。

根據上述公式計算得到真實信噪比為：66.9232，真實有效位數為：10.8243。查閱AD6645的手冊，工作在40 MHz附近時，信噪比為73.5 dB左右，計算得到有效位數為11.9。加上信號傳輸、接頭干擾和板上其它器件的影響，有效位數應該進一步降低。因而該測試方法更加接近實際使用情況。

5小結

在實際工程應用中發現如果簡單的采用均方差的方式對信號的輸出數據進行變換，測試結果往往偏高。但是采用本文中的方式，規避的了信號源的影響，較真實的體現了ADC系統的動態特性。在測試時需要注意為減少偶然誤差的影響盡可能要取多次測試結果進行平均。此外k1和k2的取值相差不宜太小。在實際工程測試中已經采用并獲得較好的效果。

參考文獻

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