模转换系统有效位数超差分析

模转换系统有效位数超差分析

孙爱中,张琬珍,张斌峰

(中国航空工业集团公司 西安航空计算技术研究所,陕西 西安710065)

摘要在某弹载计算机的测试验证中,部分模块的数模转换系统会出现有效位数超差现象。通过故障树分析法对影响因素逐一进行分析,确定为正弦波信号频率对数模转换系统有效位数的影响,通过理论分析和对算法的仿真验证,准确定位了故障,通过修改采样时钟电路设计和调整输入信号的供给,解决了有效位数测试超差问题。

关键词A/D转换电路;有效位数;信号源频率;信噪失真比;快速傅里叶变换

收稿日期:2015-03-10

作者简介:孙爱中(1981—),男,工程师。研究方向:计算机应用。E-mail:sunnyaz@126.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.016

中图分类号TN407

Tolerance of Effective Number of Bits in Analog Conversion Systems

SUN Aizhong,ZHANG Wanzhen,ZHANG Binfeng

(Xi’an Research Institute of Computing Techniques,AVIC,Xi’an 710065,China)

AbstractENOB-data out of size are found in part of module’s ADC circuit in the testing of some missile-borne computer.The fault tree analysis is made of the affecting factors one by one,and it is found that the signal source frequency plays an important role in ADC circuits.The fault position is accurately located by theoretical analysis and algorithm simulation.The problem is solved by redesigning clock circuit and changing the input of the signal.

KeywordsADC circuit;ENOB;signal source frequency;SINAD;FFT

随着ADC模数转换器在软件无线电中的广泛应用,ADC模数转换器的性能参数也变得越来越重要。评价ADC模数转换器的性能指标之一是A/D转换位数。一般来说,ADC的转换位数越多,其动态范围就越高。但由于ADC本身的量化噪声及由其微分非线性和积分非线性误差所带来的噪声和谐波、采样时钟抖动引入的噪声、系统的热噪声、印刷电路板内信号之间串扰带来的噪声等,ADC的实际转换位数与理想转换位数有差别。因此确定ADC的实际有效位对精确评价系统性能就显得尤为重要。

1故障现象

某弹载计算机采用式(1)作为ADC的实际有效位数(ENOB)计算公式,该公式基于标准正弦波输入

ENOB=(SINAD-1.76)/6.02

(1)

计算机的差分运放电路前端加入频率为100 kHz,幅值为2.5 V的正弦波,用10 M的采样率进行数据采集(8 192个数据),DSP对采集到的数据进行FFT,计算出信号能量、噪声能量和SINAD值,并最终计算出A/D的有效位数。

在使用新生产的某批次的弹载计算机模块过程中,做高速A/D采集电路测试时出现了多个模块的ENOB测试参数超差,小于规定值,后对所用计算机进行多次测试,发现部分模块ENOB测试值会有偶发性超差。

2故障定位过程

针对该情况,建立了可能引起A/D采集异常的故障树如图1所示。

图1　A/D电路采集异常故障树

2.1　运放电路排查

运放电路是数模转换系统输入信号的通路,在电路上实现信号的比例运算,运放电路故障会造成A/D芯片的输入信号异常,进而会影响ENOB超标[1]。通过示波器测量超差计算机A/D芯片的输入波形频率、幅值均正常,可排除运放电路损坏的原因。

2.2　A/D供电电路排查

超差计算机AD9240芯片的供电有数字5 V、3.3 V以及模拟5 V电压,供电电压异常会造成A/D芯片工作不正常,通过万用表对板上电压的测量发现电压正常,可排除电压异常原因。

2.3　A/D采样时钟排查

ENOB的运算与A/D采样时钟电路有着密切的关系,时钟电路元器件损坏或受到干扰都会造成采样时钟异常,进而影响采样点的位置,采样位置会影响ENOB的运算结果[2]。通过示波器观察A/D芯片采样时钟的输出、占空比、频率、幅度等信号,并未观察到此类现象,可排除时钟电路元器件损坏[3]。在排查时钟电路干扰因素时发现晶振底部所垫垫片较小,晶振下部离印制板较近,从而会引入印刷电路板内信号干扰噪声。将晶振下部垫片更改,将小垫片改为大垫片,测试结果明显改善,由理论分析以及实验结果可确定晶振下部垫片尺寸是造成ENOB指标较小的原因之一[4]。

2.4　测试环境差异排查

将测试不稳定的模块用设计阶段使用的电缆测试方法(连接方式如图2所示,电缆测试方法是外部信号源和直流电源通过电缆给弹载计算机供信号和直流电,弹载计算机完成运算后测试结果通过仿真器在PC机显示)进行测试所得的ENOB数据明显比在自动测试设备(连接方式如图3所示,自动测试设备的测试方法是通过PC机控制信号源和电源给计算机提供输入待采集模拟信号和直流供电,计算机完成运算后将ENOB的运算结果返回PC机显示)上测得的数据偏大,可得出测试环境差异较大的结论。通过更换电缆测试使用的设备与自动化测试设备的部件,可进一步确定信号源是造成测试结果差异较大的根本原因[5]。用频谱仪观测信号能量峰值,安捷伦公司的信号源对应的频率点为100.000 1 kHz,泰克信号源对应的频率点为99.999 8 kHz,两者相差0.3 Hz。从设计上排查,计算机ENOB测试所用的测试方法采用相干采样后对采样数值直接进行FFT运算结果,此种测试算法对输入信号频率与采样信号的频率匹配要求很高,微小的频率差异就会造成测试结果的较大变化[6-10]。由此分析及数据验证结果可判定,信号源频率误差是造成在自动测试设备上测试结果普遍偏小的原因。

图2　电缆测试方法测试ENOB

图3　自动测试设备测试ENOB

综上所述,导致弹载计算机在做数模转换系统测试时ENOB测试参数超差主要有两个因素:(1)部分模块晶振下部垫片尺寸较小。(2)现有测试设备信号源相比以前的信号源输出频率有误差。

3故障机理分析及仿真

在进行数模转换系统的ENOB指标测试过程中,同一计算机在完全相同的测试环境下,测试结果会有一定的浮动,在测试中只进行一次测试,有可能会遇到浮动下限的情况。计算机测试数模转换系统的ENOB指标使用的是相干采样方法,而使用该方法测试A/D的ENOB指标需要的条件之一就是作FFT的点数必须为信号单周期采样点数的整数倍。计算机目前采样频率理论值为10 MHz,信号频率理论值为100 kHz,单周期采样点数为100点,FFT点数为8 100点。以上就要求采样频率和信号频率必须保持100倍整数关系,无论是信号源还是弹载计算机模块,只要晶振频率存在Hz量级的漂移均会严重地影响测试结果,模拟弹载计算机模块ADC目前的测试条件仿真结果如图4～图6所示。

图4　理想情况下相干采样测试结果

图5　输入信号频率偏差1 Hz下相干采样测试结果

图6　采样频率偏差50 Hz下相干采样测试结果

从上述仿真结果可以看出,在输入信号频率误差为10 ppm量级时,ENOB指标下降了1.5 bit。采样频率误差为5 ppm量级时,ENOB指标下降约0.7 bit。而弹载计算机模块目前测试使用的信号源频率误差量级为1 ppm,采样频率使用的晶振误差量级为50 ppm,五分频后其精度不会产生变化,频率误差变为±10 ppm。

可见,采用相干采样的测试算法对于硬件与外部设备匹配要求较高,一般若输入信号和被测试件时钟不是同源,难以做到测试结果的一致性,故需要对外部输入信号源进行调整,对于输入信号的频率要靠误差100 kHz的正负十万分之一以内(即±1 Hz)调整来配合其采样频率进行调整才能达到ENOB的准确值。

4改进措施

晶振垫片进行设计更改,并对自动化测试设备的信号源进行频率调整(调整范围100 kHz±1 Hz以内),使其与模块采样频率能够匹配;ENOB测试算法改为5次测试取平均值的算法,增加样本量,保证测试结果稳定。

5结束语

对于某弹载计算机中数模转换系统ENOB测试过程超差性能不稳定的情况,分析了影响因素,确定了故障点,通过改进措施的实施,有效保证了测试结果的稳定性。

参考文献

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