1、 实验三 高性能模拟数字转换技术一、实验目的1. 了解模拟数字转换器（ADC）的工作原理。2. 掌握高性能模拟数字转换器（ADC）的性能测试方法。二、实验仪器信号源 HP E4432、示波器 TDS3032、逻辑分析仪 Agilent 1683AD 和电源。三、实验原理ADC 的指标测试包括静态和动态指标测试。需要验证的是，利用 ADC 芯片设计的数据采集系统的动态指标，也即实际工作中数据采集系统的性能参数能否满足总体要求。ADC 的动态指标测试方法有很多，参数也有很多，工程中一般以 ENOB 作为主要评价参数，衡量数据采集系统实际工作时有效的位数，综合衡量实际工作时 ADC 的噪声均方值与理
2、想 ADC标识分辨率情况下的量化噪声。也就是说，在给定的测试环境中，一个实际 10 位 ADC 的 ENOB为 9 位时，那么它的实际分辨率与 9 位理想 ADC 相同。因此用 ENOB 更能描述工作中 ADC 的实际采样精度。ENOB 的测量与输入信号源的性能以及单频信号的频率和幅度都有关，其测试方法如图 1 所示。1. 采用单频正弦信号 fa 输入到 ADC，ADC 以采样频率 fs 对外部输入的单频信号进行采样；2. 保存 ADC 的 M 次采样结果，对 ADC 采样结果进行快速傅里叶变换（FFT） ，从频谱图中计算 SINAD；3. 有效位数 ENOB（SINAD 1.76）/6.02
3、 。SINAD 通过 FFT 运算结果和 下式计算得到。 10lgSSINAD高稳定度单频信号源ADC同步 FIFO或逻辑分析仪PC时钟fsfa N N图 1 FFT 测试框图式中，S 为基频信号能量，频谱图中基频单元附近幅度之和，N 为噪声能量，频谱图中除直流与信号分量外所有频谱分量能量之和。对实信号的频谱转换，频谱图中有效频率范围是 （ 为采样频率） ，频率分辨率为2sfsf（M 为 FFT 点数） ，噪声基底可表示信噪比与 FFT 增益之和，FFT 增益为 。sf 10lg2M由于 FFT 算法是基于对记录时间中信号周期延拓的变换，这种周期延拓造成数据被突然截断，频谱分量将从其正常范围扩
4、展，形成频谱的“泄露” 。为避免这种现象，在进行测试时要求输入信号的频率为频率分辨率 的整数倍，同时要求信号源具有高稳定度、低相位噪声，输出幅度为sfADC 满量程。ADC 的采样结果可以保存在存储器中，也可以用逻辑分析仪记录。下面举例说明 ADC 性能的测试方法。采用 Agilent 1683AD 逻辑分析仪记录 8192 点采集数据。将该数据导入到计算机中，利用MATLAB 程序读取并作 FFT，结果如图 2 所示。0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-140-120-100-80-60-40-200幅幅/KHz幅幅/dBSINAD
5、=58.0853dBENOB=9.3564bit由图 2 计算可得，SINAD 为 58.09dB，8192 点 FFT 的增益为 36.1236dB，噪声基底 94.21dB，通过计算得到 ENOB 等于 9.36bit。可见该数据采集系统的动态有效位数可达 9.36bit。同时，从频谱图中还可以得到该数据采集系统的无杂散动态范围 SFDR 为 78dB。在模数转换器应用中，FFT 计算是一个很有效的评估工具。采用 FFT 方法，可以准确地评估数据采集系统的众多性能参数。噪声基底：94.21dBFFT 增益：36.12dBSFDR：78dB图 2 ADC 采集结果的频谱图四、实验电路R10R
6、11R12R13R14R15R16R17R18R19R20R21R5820W1300 567U3BOP27932184U3AOP27932 674U2AD9631D11 44D10 43D9 42D8 33D7 32D6 31D5 30D4 29D3 28D2 27D1 26D0 25DVCC 1DVCC 2DVCC 36DVCC 37DVCC 40DVCC 41AVCC11 AVCC12 AVCC15AVCC16 AVCC19 AVCC20GND5 GND6 GND13GND14 GND17 GND18GND21 GND22GND 24GND 34GND 35GND 38GND 39AIN7
7、Vref9 Vof8 ENCODE3ENCODE4 C110U1AD90421 2R179R850C30.01UFR6571R221R4114R750R3200C10.1UFC160-50PFA_INPUTC210UF+5VA3+5VA2-5VA1+5VA1-5VA2+5VD2GND GND1Q1 21Q2 31Q3 51Q4 61Q5 81Q6 91Q7 111Q8 122Q1 132Q2 142Q3 162Q4 172Q5 192Q6 202Q7 222Q8 23/OE1 1/OE2 24CP1 48CP2 251D147 1D246 1D3441D443 1D541 1D6401D738
8、 1D837 2D1362D235 2D333 2D4322D530 2D629 2D7272D826VC 7VC 18VC 31VC 42GND4 GND10 GND15GND21 GND28 GND34GND39 GND45U474FCT16374ADSCLKGND+5VD1GND1A1 2A7 3A94A151Y 21Z 32Y 62Z 53Y 103Z 114Y 144Z 13G4 G12VD16 DGND8U526C31GNDGND+5VD1+5VD1 D2-D2+D1-D1+D3-D3+D0-D0+D2D1D3D0T1T1-1TR9100CLK_IN C40.01UFGNDD0D1
9、D2D3D4D5D6D7D8D9D10D111A1 2A7 3A94A151Y 21Z 32Y 62Z 53Y 103Z 114Y 144Z 13G4 G12VD16 DGND8U626C31GNDGND+5VD1+5VD1 D6-D6+D5-D5+D7-D7+D4-D4+D6D5D7D41A1 2A7 3A94A151Y 21Z 32Y 62Z 53Y 103Z 114Y 144Z 13G4 G12VD16 DGND8U726C31GNDGND+5VD1+5VD1 D10-D10+D9-D9+D11-D11+D8-D8+D10D9D11D8 R22501A2 2A63A10 4A141B1
10、2B73B9 4B151Y 32Y 53Y 114Y 13G 4G 12VD 16DGND 8U1126C32GNDGND+5VD1+5VD1ADSCLKADSCLK+ADSCLK-D2-D2+D1-D1+D3-D3+D0-D0+D6-D6+D5-D5+D7-D7+D4-D4+D10+D9+D11+D8+D10-D9-D11-D8-ADSCLK+ADSCLK-1234567891011121314151617181920212223242526ADC_I/OCON26R23120ADSCLK+ ADSCLK-C150.1UFC1110UFC180.1UFC1710UFC200.1UFC1910
11、UFFB1FB2FB3FB4+5VA1+5VA2+5VA3 C160.1UFC1210UF+5VAC60.1UFC510UFFB5C220.1UFC2110UFC240.1UFC2310UFC80.1UFC710UF-5VA -5VA1-5VA2C280.1UFC330.1UFC2510UFC3110UFFB6FB7 +5VD1+5VD2+5VDC290.1UFC100.1UF C2610UFC910UF C2710UF C300.1UFC3210UF C340.1UF C350.1UF C360.1UF C370.1UFC1310UFC140.1UF12PWR1123PWR2 +5VA-5V
12、AGNDGND+5VD图 3 采用 AD9042 ADC 构成的数据采集系统由 ADI 公司的 AD9042 构成的数据采集系统原理图如图 3 所示。AD9042 是典型的误差校正子区式（Error Corrected Subranging）ADC，两级子 ADC 分别完成最高 6 位的转换和低 7 位的转换，其中 1 位用于误差校正。其最高采样频率为 41MSPS，位宽 12bit，数字输出补码格式，内部含有采样保持电路和参考电源，最高 80dB 的无杂散动态噪声范围（SFDR） ，芯片单 5V 供电，数字电源与模拟电源分开，功耗仅为 595mW。采样时钟信号直接来自频率综合器等高性能信号源
13、，采用正弦波变压器耦合，保证时钟信号稳定可靠、低相位噪声、无谐波失真。其次，采用内部参考信号作为 ADC 的采样电源基准。单端信号驱动 ADC 工作，由于外部信号电压范围与 AD9042 不一致，因此必须进行信号调理，完成对输入信号带限滤波以及电平的匹配。AD9042 的参考基准电压为 2.4V，规定的输入信号范围是Vref0.5V，而实际外部输入信号可以为1.5V。选用超低失真、宽带电压反馈运放 AD9631 完成隔离和电平转换任务，如图 3 所示，可以推导出实际输入模拟信号 VA-INPUT 与 ADC 输入信号 VAIN之间的关系： _23451136()()AINPUTI refVRR
14、W由给定的电阻数值，调节 W1 可得： ，满足 AD9042 输入要求。refINPUTAAI V_.0为避免数字电源对模拟电源的干扰，影响 AD9042 的精度， AD9042 的数字模拟电源分开供电。信号采集板上数字逻辑部分用5VD 电源，而 AD9042 的模拟电源则用5VA 供电。同时采用磁珠和电容对电源分别进行去耦滤波，尽可能在器件的电源端和相应的地线就近加去耦电容。在 AD9042 的数据输出线上串联 100 电阻，并采用 74FCT16374 锁存器锁存 ADC 采样结果，限制了其输出端的负载电容和输出电流。锁存脉冲应严格设计，保证 74FCT16374 的锁存数据的建立时间与保
15、持时间。锁存器输出信号采用差分隔离，利用 26C31 将锁存的单端信号转换为差分信号进行传输，抑制数字信号传输过程中的共模干扰。在接收端利用 26C32 再将差分信号还原成 TTL电平形式进行数字处理。五、实验内容及步骤1. 连接方式图 4 ADC 测试连接原理框图2. 测试方法和步骤按图 3 连接，将信号源 HP E4432 接到 ADC 的 I 通道上，再将信号源 HP E4432 接到 ADC 的采样时钟信号上， ADC 的输出接到逻辑分析仪 Agilent 1683AD 上。信号源 HP E4432 幅度调整到1.0V 以内，频率调整到 200KHz，产生单一正弦信号，送给 I 通道；
16、信号源 HP E4432 幅度调整到 5dBm，频率调整到 8MHz，产生单一正弦信号，送给 ADC 作采样时钟。改变 I 通道信号源频率再进行测试并记录。同样的方法再进行 Q 通道模数转换器测试。3. 测试结果将测试结果填入表 1。表 1 测试数据输入信号频率 支路 Amp(dBm) EOB(bit) 支路 Amp(dBm) EOB(bit)-10 -10-8 -8F=200 kHz I-6Q-6模数转换部分（ADC ） 逻辑分析仪信号源HP E4432输入模拟信号供电信号源HP E4432 采样时钟信号-10 -10-8 -8F=100 kHz I-6Q-6六、实验报告1. 处理记录测试数据并填入表格。2. 对实验中出现的现象进行分析说明。3. 实验报告中完成思考题。七、思考题1. 对 ADC 采样结果进行快速傅里叶变换（FFT ）时出现频谱泄露时，如何处理？2. 信号源的性能对测试结果有无影响？3. 改变输入信号频率和采样频率对测试结果有何影响？
