客户案例 多通道数模转换器ADC动静态参数测试解决方案

模数转换器，即Analog-to-Digital Converter，常称ADC，是指将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。大部分现实世界的电信号是模拟信号，ADC构建了模拟世界数字世界的联系。本文就模数转换器ADC的分类、技术点、测试方案等方面，为您提供相关技术说明及解决方案。

模数转换原理

模数转换器
Analog-to-Digital Converter

ADC的原理：通过采样、量化以及编码电路，将输入的连续模拟信号变换成离散的数字信号。采样将信号在时间上离散化，量化将信号在幅度上离散化。

▲模数转换器原理示意图

ADC芯片追求的主要指标有采样率和垂直分辨率，采样率与垂直分辨率受到器件工艺的制约。对应不同的应用场景，ADC通过不同的设计架构实现不同的采样率及垂直分辨率。

▲不同类型ADC采样率与比特率关系图

模数转换器的关键指标
Key Indicators of ADC

ADC不是理想的，并且分辨率有限，因此它们在输出只能表示有限数量的信息。表示的信息数量为2^N个，N为转换器的位数。

例如，假设选择一个12位ADC，则它可在输出端以4096个数字表示施加于转换器输入端的任何信号。这些表示信息存在量化误差。因此，如果12位ADC的输入满量程(VFS)为10 Vp-p，那么其理想情况下的LSB大小为2.44 mVp-p，精度为±1.22 mV。

▲ADC量化误差

ADC的关键指标包括：

静态参数：DNL微分非线性、INL 积分非线性
动态参数：SNR信噪比、ENOB有效位数、THD总谐波失真、SFDR 无杂散动态范围

ADC动静态参数测试挑战

随着数字信号处理技术和数字电路工作速度的提升，以及对于系统灵敏度等要求的不断提升，对于高速、高精度ADC的指标提出了很高的要求，很多ADC芯片的采样率都达到了百MSa/s甚至GSa/s以上。这意味着ADC不仅需要良好的静态性能，而且在比较高的输入信号频率时需要有良好的动态特性。

ADC的动静态性能测试需要借助专业的仪器设备进行检测，对于研发及制造ADC芯片的厂商以及使用ADC芯片制作高速采集板卡的设计工程师而言，如何验证芯片在板级或系统级应用时的真正性能指标变得尤为关键。

客户案例：ADC动静态参数测试

以下是以某公司的4通道14bit垂直分辨率高速ADC为例，对ADC的动静态核心性能进行验证测试。基本的办法是在ADC的输入端输入一个理想的正弦信号，然后对ADC转换后的数据进行采集及FFT频谱分析以及统计分析，最终得到如DNL微分非线性、INL积分非线性、IMD交调失真、SNR信噪比、ENOB有效比特位数、SFDR无杂散动态范围及THD总谐波失真等指标。以下是典型的ADC测试方案：

▲典型的ADC测试方案示意图

以动态性能测试为例，测试ADC芯片的SNDR无杂散动态范围、THD总谐波失真及ENOB有效比特位数等指标，一般需要通过信号发生器产生纯净的正弦波信号，输入到ADC中进行采样，得到的样本数据经过PC端的数据处理，得到动态频谱特性，进而得到相关结果：

▲ADC动态特性测试流程


▲ADC动态特性测试频谱分析及结果

该测试方案的关键在于用于输入ADC芯片或测试板的正弦波足够纯净，才可确保ADC采集转换后数据分析结果的真实性。在面对多通道的模数转换器ADC时，往往需要多路的信号发生器，以往传统的方案是通过多台信号信号发生器或使用功分器进行一路转多路搭建多路的输入信号。这种方案成本高、集成度低，且搭建测试系统时需要同时对多台设备进行控制，系统较为复杂。

此外，ADC测试过程中对时钟频率和各个输入信号的频率比例关系要求非常严格，准确合适的频率可以防止FFT计算时存在频谱泄露，使测试结果更加准确，这就要求对多路输入的正弦波信号需要有严格的频率比例关系。

为解决以上测试痛点，RIGOL推出了DSG5000系列多通道微波信号发生器，单台设备最多可集成8个微波射频通道，输出频率最高可达到20 GHz。DSG5000系列多通道微波信号发生器采用共参考的设计思路，8个微波射频通道可独立设置频率且具备相参特性，可确保输出多个不同频率信号间频率比例关系保持长时间稳定。

DSG5000的多通道输出可以让测试系统搭建更加方便灵活，一通道输出作为ADC时钟信号，提供非常小的时钟抖动，发挥ADC的最佳性能；其他通道作为和时钟信号相参的模拟信号，提供更加灵活的模拟测试向量。并且信号频率精度可以到0.01 Hz，提供非常精准的模拟参考信号，同时通过计算信号频率、采样率和FFT频点关系调整到没有频谱泄露的频率点，提供更加精准的测量结果。

▲DSG5000系列微波信号发生器简化多通道ADC测试

通过简化后的测试系统测试将能够实现SNR、ENOB、SFDR、THD等测试，同时DSG5000系列的优秀相位噪声可以准确地测量这些参数。DSG5000系列可以提供多个频率输出，实现3阶交调(IMD3)、1dB压缩点(P1dB)测试，此外，该测试系统还能一同测量DNL和INL（码密度分析）这两个直流参数，简化测试方案，提升测试效率；并且可以利用多通道相位可以精细调节的特性，进行片内延迟单元的性能测试。
DSG5000系列微波信号发生器

RIGOL提供的DSG5000系列微波信号发生器及产品组合解决方案可以有效提升多路ADC芯片或采集板卡的集成效率及测试效率。DSG5000系列多通道微波信号发生器不仅可以提供多通道纯净的信号输入，还可以提供ADC芯片或采集板卡的采样时钟，使用户进行集成开发时所需控制的仪器设备大幅减少。