Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ 高速高分辨率ＡＤＣ有效位测试方法研究 李海涛，李斌康，阮林波，田耕，田晓霞，渠红光，王晶，张雁霞 （西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安７１００２４） 摘要：介绍了ＡＤＣ的有效位计算公式，分析了ＡＤＣ的性能参数测试方法，给出了ＡＤＣ的有效 位测试解决方案。对ＦＦＴ方法在ＡＤＣ性能测试中的应用做了深入探讨，包括频谱泄露、相干采样和加 窗函数等。采用一种改进的ＦＦ１１方法对ＴＩ公司的ＡＤＳ５４００进行有效位测试，得到其在４００ ＭＳ／ｓ采样 率的有效位ＥＮＯＢ＝９．１２ ｂｉｔ（ ＝１．１２３ ＭＨｚ）。 关键词：ＡＤＣ有效位；ＦＦＴ；ＡＤＳ５４００ 中国分类号：ＴＭ９３０．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８－７９９８（２０１３）０５－００４１—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ＥＮＯＢ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｈｉｇｈ——ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＡＤＣ Ｌｉ Ｈａｉｔａｏ，Ｌｉ Ｂｉｎｋａｎｇ，Ｒｕａｎ Ｌｉｎｂｏ，Ｔｉａｎ Ｇｅｎｇ，Ｔｉａｎ Ｘｉａｏｘｉａ，Ｑｕ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｊｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｙａｎｘｉａ ｆＳｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｉｎｔｅｎｓｅ Ｐｕｌｓｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｆｆｅｃｔ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＡＤＣ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ＥＮＯＢ，ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｓｅｖ— ｅｒａｌ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ＡＤＣ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ．ａ ｔｅｓｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ＥＮＯＢ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＦＦＴ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｅ ＥＮＯＢ ｔｅｓｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｌｅａｋａｇｅ，ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｅｔｃ．Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｆｒｒ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＡＤＣ ＥＮＯＢ ｔｅｓｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ＥＮＯＢ ｏｆ ＡＤＳ５４００ ｗｏｒｋｉｎｇ ａｔ ４００ ＭＳ／ｓ ｉｓ ９．１２ ｂｉｔ ＝１．１２３ ＭＨｚ）． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＤＣ ＥＮＯＢ；ＦｆＴｒ；ＡＤＳ５４００ 作为连接模拟世界和数字世界的桥梁，ＡＤＣ的性能 影响整个系统的性能。如何对ＡＤＣ进行性能测试是目 前ＡＤＣ研究的热门领域之一。表征ＡＤＣ的性能参数分 正弦波拟合法对ＡＤＣ的动态性能给出总体描述，ＦＦＴ方 法测试ＡＤＣ动态性能参数。直方图法和正弦波拟合法 引入了信号源的噪声和谐波等外围电路干扰，并且测试 的性能参数单一，相比之下，Ｆ丌方法可以抑制甚至消除 外围电路影响，获得的动态性能参数也较多１２］。本文重 点讨论如何采用ＦＦＴ方法对ＡＤＣ的ＥＮＯＢ进行测试。 为静态性能参数和动态性能参数。静态性能参数描述 ＡＤＣ的内在特性，主要关注稳定模拟输入与对应数字输 出的关系；动态性能参数描述的是ＡＤＣ采样和重现时 序变化信号的能力。用于定量表示ＡＤＣ动态性能的常 用参数有６个，分别是：ＳＩＮＡＤ（信纳比）、ＥＮＯＢ（有效位 数）、ＳＮＲ（信噪比）、ＴＨＤ（总谐波失真）、ＴＨＤ＋Ｎ（总谐波失 真加噪声）和ＳＦＤＲ（无杂散动态范围）等。在这些动态性 １ ＡＤＣ的ＥＮＯＢ 一般来说，ＡＤＣ的分辨率越高，其ＥＮＯＢ就越高。 式（１）给出了ＡＤＣ的有效位计算公式，该公式采用标准 正弦波输入。 ＥＮＯＢ＝ 能参数中，ＥＮＯＢ是表征ＡＤＣ的动态性能的重要参数， ＡＤＣ自身及外部电路产生的噪声和谐波等都可以在该 参数中得到反映。 其中，ＳＩＮＡＤ为信纳比。式（１）使用满量程输入信号，对 于较低的信号输入幅度，在计算ＥＮＯＢ时需要增加一个 校正系数，如下式＿３＿： 测试ＡＤＣ性能参数的方法主要有模拟方法和数字 方法两种。模拟方法是将ＡＤＣ得到的采样数据经ＤＡＣ 转换为模拟信号，再使用传统的方法进行测试，该方法 引入了ＤＡＣ的噪声和谐波，因此会影响ＡＤＣ性能指 ＥＮＯＲ 一…一一ＳＩＮＡＤ－１．７６＋２０１ｇ（ＦｕｌｌｓｃａｌｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅ）ｉｎｐｕｔＡｍｐｌｉｔｕｄｅ ６．０２ （２） 标；数字方法主要有直方图法、正弦波拟合法和ＦＦＴ法 等＿】］，直方图法测试ＡＤＣ的等效输入噪声等性能参数， 其中，ＦｕｌｌｓｃａｌｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅ为满量程幅度，ＩｎｐｕｔＡｍｐｌｉｔｕｄｅ为 输入幅度。此外，对于采用过采样技术的ＡＤＣ，在计算 ４１ 《电子技术应用》２０１３年第３９卷第５期 鼬 （称为过采样“处理增益”），如下式ｌ４ Ｊ： 塑 堡 （ ）３） ＥＮ０Ｂ时，需要在带宽范围内增加一个校正系数 ＥＮ０Ｂ： ＥＮ０Ｂ＝——— 面— 二 其中， 为采样频率，ＢＷ为带宽。 目前，几大ＡＤＣ生产厂商都给出了ＡＤＣ的ＥＮＯＢ 测试解决方案，如ＡＤＩ公司的ＡＤＣ Ａｎａｌｙｚｅｒ工具、ＴＩ公 司的ＡＤＣＰｒｏ工具、ＮＳ公司（已被ＴＩ收购）的ＡＤＣ Ｗａｖｅ— ｖｉｓｉｏｎ工具等，这些工具都采用ＦＦＴ方法对ＡＤＣ的动态 性能参数进行测试。 ２ ＦＦＴ测试方法 ＦＦＴ是基于离散傅里叶变换（ＤＦ３＂）的一种快速算法［５ Ｊ， 采样点数为Ⅳ 的序列ＤＦＴ如式（４）所示，Ｘ（¨、 （ｎ）均 为复数，Ｗｔ 为旋转因子。ＦＦＴ利用旋转因子的周期性 和对称性，将长序列的ＤＦＹ分解为短序列的Ｄ Ｆ１ｒＩ１，降低 了运算复杂度。 Ｎｍ －ｌ 、ｎ （ ）＝ （ｎ）Ｗ ， ＝０，…，Ⅳ 一１ （４） Ｆ 得到离散频谱数据，对于Ｊ７、７ 点采样数据，每条 谱线间距为△厂 ／Ⅳ ，称为频率分辨率（也称为频率 “仓”的宽度）。 由于频率分辨率有限，ＦＦＴ方法在分析ＡＤＣ采样数 据时存在频谱泄漏问题。频谱泄露（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｌｅａｋａｇｅ）是指 某指定频点的能量进入邻近频率中，在频谱图上表现为 该频点的能量是一个包络，通常采用相干采样、加窗函 数等方法来抑制或消除频谱泄露＿６＿。 相干采样在ＡＤＣ动态性能测试中应用广泛，如果条 件满足，相干采样可以提高Ｆ 的频谱精度，并且不需 要加窗函数处理。相干采样条件如式（５），其中． 是待采 样波形频率， 是采样周期数。 ｘＭ ×ⅣＦＦｒ （５） 相干采样条件要求 和Ⅳｍ为整数且互为素数，并 且Ⅳ 为２的整数次幂＿７＿。以某一具体计算为例，假设 ＝４００ ＭＨｚ， ｒ＝８ １９２，分析ＡＤＣ在ｉｏ＝１ ＭＨｚ附近的有 效位，则Ｍ＝ｉｎｔ（ ）ＸⅣＦｒｒ＝２０。 由于该数为偶数，在该数附近的奇数和素数分别为 ２１和２３，所以可得： ｆ （２１）＝４００ ＭＨｚｘ（２１／８ １９２）＝１．０２５ ３９０ ６２５ ＭＨｚ （６） ． （２３）＝４００ ＭＨｚｘ（２３／８ １９２）＝１．１２３ ０４６ ８７５ ＭＨｚ （７） 可以看到，相干采样对信号源的频率分辨率和稳定 性要求很高。在实际操作时，信号源无法满足条件，需要 对采样数据进行加窗函数处理以减少频谱泄漏。 加窗函数时，窗函数的选择非常重要。理想的窗函数 是主瓣宽度尽量小、过渡带尽量陡，以使频点能量更加集 中。应用较多的窗函数有矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布莱克 曼窗等。图１给出了相干采样图形和非相干采样图形加 ４２ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｒｎ １相干采样和非相干采样的功率谱密度 窗函数后的功率谱密度。对于相干采样，能量都集中在一 个频率点上，平均噪底低；对于非相干采样，出现了频谱 泄漏现象，平均噪底被抬高，经过加窗函数处理后，其平 均噪底被压低，能量分布得到集中，但是能量依然不如相 干采样集中。在测试ＡＤＣ动态性能参数时，选择一个合 适的窗函数很难，不同的窗函数导致测试结果也不一样。 ３使用ＦＦＴ测试ＡＤＳ５４００ 在对ＡＤＣ的ＥＮＯＢ进行测试时，会引入一定量的噪 声和谐波，主要分为两类，一类是ＡＤＣ自身的噪声和谐 波，这是ＡＤＣ的固有特性；另一类是外围电路引入的噪 声和谐波，这些外围设备包括信号源、时钟源等。测试其 动态性能参数时，需要抑制或消除外围电路弓ｌ入的噪声 和谐波。本文采用了参考文献【８］提到的ＥＮＯＢ测试方 法，利用式（１）得到ＡＤＣ的ＥＮＯＢ。该方法可以有效抑制 信号源的干扰，实现了对ＡＤＣ的ＥＮＯＢ的客观测量 。 测试时，将同一输入信号衰减ｍ（ｍ＞２）次对ＡＤＣ进 行测试，然后将ｍ个测量结果两两组合并带入式（８），得 ’ 到ｃ：个测量值，取其平均值来计算ＡＤＣ的ＥＮＯＢ。“一 ＳＩＮＡＤ＝ｌＯ￣ｌｇ（ （８） 其中，ＳＩＮＡＤ 、ＳＩＮＡＤ 分别为ＡＤＣ的输入为满量程的 和 时的信纳比。具体步骤如下： Ｋｔ Ｋ （１）将信号幅度衰减ｋ 倍后输入被测ＡＤＣ，对采样 数据做Ｆ盯谱分析，求出ＳＩＮＡＤ ； （２）将信号幅度依次衰减ｋｚ…ｋ 倍，重复步骤（１），得 到ＳＩＮＡＤ＾ …ＳＩＮＡＤｋ ； 。（３）将ｍ个测量结果两两组合代入式（８），共得ｃ：个 信纳比值； （４）将ｃ：个值取平均得到ＳＩＮＡＤ，并通过式（１）计算 ＥＮＯＢ。 采用上述步骤对ＴＩ公司的ＡＤＳ５４００进行测量，测 《电子技术应用》２０１３年第３９卷第５期 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ 量平台如图２所示。ＡＤＳ５４００是一款高速高分辨率ＡＤＣ， 采样率范围１００ ＭＳ／ｓ～１ ０００ ＭＳ／ｓ，分辨率为１２ ｂｉｔ。 测试，在采样率为４００ ＭＳ／ｓ的情况下，获得了ＡＤＳ５４００ 的ＥＮＯＢ＝９．１２ ｂｉｔ（厂ｍ＝１．１２３ ＭＨｚ）。同时，验证了使用ＦＦＴ 方法测量高速高分辨率ＡＤＣ的有效位的可行性，该方 法可以广泛应用在ＡＤＣ的动态性能参数测试中。 参考文献 【１】骆丽娜，杨万全．高速ＡＤＣ的性能参数与测试方法［Ｊ］． 实验科学与技术，２００７，５（２）：１４５—１４７． 【２】邓若汉，余金金，王洪彬，等．基于Ｌａｂｖｉｅｗ的ＡＤＣ综合 性能测试系统［Ｊ】．科学技术与工程，２０１２，１２（１９）：４６５３— ４６５７． 图２ ＡＤＳ５４００动态性能参数测试平台示意图 待测试的ＡＤＳ５４００采样率设置为４００ ＭＳ／ｓ，输入正 弦波频率为１．１２３ ＭＨｚ。使用ＡＤＣ Ａｎａｌｙｚｅｒ软件对采样 数据进行ＦＦＴ分析，采样点数为８ １９２，采用汉宁窗 （Ｈａｎｎｉｎｇ）得到ＳＩＮＡＤ （ｉ＝１，２，…，ｍ），通过式（１）和式（８） 求得ＡＤＣ的ＥＮＯＢ。图３显示了一组１．１２３ ＭＨｚ、４ Ｖ 正 弦波采样数据的分析结果。 ［３］成章，王建，刘敏，等．关于ＡＤＣ测试平台的探讨［Ｊ］．电子 信息对抗技术，２０１２，２７（４）：７７—８０． ［４］ＫＥＳＴＥＲ Ｗ．揭开一个公式（ＳＮＲ＝６．０２Ｎ＋１．７６ ｄＢ）的神秘 面纱，以及为什么我们要予以关注［Ｚ／ＯＬ】．ＡＤＩ，ＭＴ一００１ （２００８）［２００８］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ． 【５】侯树文，李鹏，付帅．基于加窗傅里叶变换的电力系统谐 波分析算法【Ｊ】．华北水利水电学院学报，２０１１，３２（４）： ８８—９１． ｝ 鼠 ［６】崔庆林，蒋和全．高速Ａ／Ｄ转换器测试采样技术研究［Ｊ】． ＿ ０ ；．越蛐－ ： － ＿ －－ ‘ 。ｋ － …。－ 微电子学，２００５，３６（１）：５２—５５． Ｉｃ１－，＿： 孤 Ｆ 【７】ＴＩ．Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ａｎａｌｏｇ—ｔ０一ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｉｅｓ［Ｚ／ＯＬ】． 图３ １．１２３ ＭＨｚ、４ Ｖ 正弦波波形及功率谱 ＴＩ，ＳＬＡＡ５ｌＯ（２Ｏｌ１）［２０１１］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｉｎ． 【８】邱兆坤，王伟，马云，等．一种新的高分辨率ＡＤＣ有效位 数测试方法【Ｊ】．国防科技大学学报，２００４，２６（４）：１—５． 【９】向海生，赵豫斌，江晓山，等．八通道１ Ｇｓｐｓ数据采集系 统设计与测试［Ｊ】．核电子学与探测技术，２０１１，３１（４）： ３９５—３９８． 最终测得，在输入信号频率为１．１２３ ＭＨｚ、输入幅度 满量程时，ＡＤＳ５４００的ＳＩＮＡＤ＝５６．６６ ｄＢ，有效位ＥＮＯＢ＝ ９．１２ ｂｉｔ（ ＝１．１２３ ＭＨｚ）。对比ＡＤＳ５４００的Ｄａｔａｓｈｅｅｔ给出 的ＥＮＯＢ典型值ＥＮＯＢ＝９．３４ ｂｉｔ（丘＝１２５ ＭＨｚ）可以发现， 改进的ＦＦＴ方法很好地抑制了信号源以及其他外围电 路的干扰，基本实现了对ＡＤＣ的ＥＮＯＢ的准确测量。 对ＡＤＣ动态性能参数进行测试时，要注意抑制或消 （收稿日期：２０１３—０ｌ一０８） 作者简介： 李海涛，男，１９８６年生，硕士研究生，主要研究方向：核 电子学。 除ＡＤＣ自身及外围电路的噪声和谐波引入的干扰。 本文介绍了一种改进的ＦＦＴ方法用于高速高分辨 率ＡＤＣ的动态性能参数测试，注意到ＦＦＴ分析采样数 李斌康，男，１９６６年生，研究员，主要研究方向：脉冲射 线测量。 据时的频谱泄漏问题，给出了相干采样和加窗函数等解 决方案。采用改进的Ｆ丌方法对ＴＩ公司的ＡＤＳ５４００进行 （上接第４０页） ａｎｄ Ｔｅｓｔ ｉｎ Ｅｕｒｏｐｅ，ＤＡＴＥ ０８．Ｍｕｎｉｃｈ，２００８：４４－４９． 阮林波，男，１９７２年生，高级工程师，主要研究方向：核 电子学。 ｍｅｎｔｉｎｇ ｎｅｏｎ：ａ ２５６＿ｂｉ ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ［Ｊ】．Ｍｉｃｒｏ ＩＥＥＥ，１９９９，１９ｆ２）：５８—６９． 【２】马安国，成玉，唐遇星，等．ＧＰＵ异构系统中的存储层次和 负载均衡策略研究【Ｊ】．国防科技大学学报，２００９，３１（５）： ３８—４３． ［６】ＭＣＣ０ＲＭＡＣＫ Ｊ，ＭＣＮＡＭＡＲＡ Ｒ，ＧＩＡＮＯＳ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｏｎ： Ａ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ３Ｄ ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ，ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｐｏｒｔ ９８／１［Ｃ】．ＨＷＷＳ ９８ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＣＭ ＳＩＧ— ＧＲＡＰＨ／ＥＵＲＯＧＲＡＰＨＩＣＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｈａｒｄｗａｒｅ ＡＣＭ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＮＹ，ＵＳＡ，１９９８：１２３—１３２． 【３］ＨＥＮＲＹ Ｗ，ＭＩＳＥＬＭＹＲＴＯ Ｐ，ＭＡＲＹＡＭ Ｓ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｍｙｓ— ｔｉｆｙｉｎｇ ＧＰＵ ｍｉｃｒｏａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｉｃｒｏｂｅｎｃｈｍａｒｋｉｎｇ［Ｃ］． Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａ— （收稿日期：２０１３—０１—１５） ｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（Ｈａｒｄｗａｒｅ／ Ｓｏｆｔｗａｒｅ），Ｗｈｉｔｅ Ｐｌａｉｎｓ，ＮＹ，Ｍａｒｃｈ ２０１０：２３５—２４６． 作者简介： 肖灵芝，女，１９８７年生，硕士研究生，主要研究方向：计 ［４】ＮＶＩＤＩＡ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＮＶＩＤＩＡ ＣＵＤＡ ｃｏｍｐｕｔｅ ｕｎｉｉｆｅｄ ｄｅｖｉｃｅ 算机图形学，集成电路设计。 蒲林，男，１９８９年生，硕士研究生，主要研究方向：计算 机图形学，集成电路设计。 ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００８－０６－ｘｘ）［２０１３— ０１一ｌ５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＣＳ．ｕｃｌａ．ｅｄｕ／￣ｐａｌｓｂｅｒｇ／ｃｏｕｒｓｅ／ｃｓ２３９／ ｐａｐｅｒｓ／ＣｕｄａＲｅｆｅｒｅｎｅｅＭａｎｕａｌ ２．０．ｐｄｆ．１—２４７． 韩俊刚，男，１９４３年生，教授，主要研究方向：计算机图 形学，集成电路设计，形式化验证。 ４３ ［５】ＭＣＣＯＲＭＡＣＫ Ｊ，ＭＣＮＡＭＡＲＡ Ｒ，ＧＩＡＮＯＳ Ｃ．ｅｔ ａ１．Ｉｍｐｌｅ一 《电子技术应用》２０１３年第３９卷第５期