关于ADC有效位数测试方法及工程应用

梁素龙　高蕊

摘要：在进行雷达信号处理时，需要对回波的数据进行下变频以及A/D转换。此时ADC的性能直接影响后续的处理效果。ADC的静态特性和动态特性中一个很重要的指标就是有效位数。具体测试中首先通过MATLAB对数据进行FFT仿真分析，通过Hanning窗来防止频谱泄露，之后对有效位数公式进行转换得出改进后的正弦波测试方法。经过验证该方法在工程应用中获得较好的效果。

关键词：ADC；信噪比；有效位；快速傅里叶变换

中图分类号：TP311文献标识码：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

为方便数字信号处理，接收前端往往会通过A/D芯片对模拟信号转换为数字信号。在实际工程应用中一方面要求ADC有比较高的采样率以获得高带宽的输入信号，另一方面又要有比较高的bit位数从而分辨信号细微的变化。因此高速采样情况下转换的精度是一个关键的问题。同时在硬件设计时要考虑到ADC板的可测试性，只有通过相关的测试才能确定电路的性能以及PCB板设计是否合理。[8]因此有必要对ADC芯片相关参数有进一步的理解。

文中通过对A/D芯片参数的介绍，以及MATLAB的仿真，并对芯片手册中的公式进行简化。最终通过实测结果验证方法的可靠性。

1ADC的主要静态特性参数

静态特性参数主要包括失调误差、增益误差、微分非线性误差（DNL）、积分非线性误差（INL）。在进行ADC静态参数测试时，采用码密度直方图测试法。由于该测试方法是通过概率的方式进行的因此需要大量的测试样本。

2ADC的主要动态特性参数

动态特性参数主要包括信噪比、有效位数、无杂散动态范围、总谐波失真等，下面对上述参数逐个详细说明。

21信噪比SNR（Signalto Noise Ratio）

信噪比SNR指的是输入信号和噪声（不包括任何谐波和直流）的功率比，是一种用于定义器件内部噪声大小的基本参数。理想情况下表达式为：

SNR=6.02N+1.76 dB（1）

其中N表示比特位数。

22有效位数ENOB（Effective Number of Bits）

有效位数是将传输信号转换成等效比特分辨率。芯片手册中给出ENOB，单位为bits。表达式为：

ENOB=SINAD-1.766.02（2）

其中SINAD（Signal to Noise And Distortion）是信纳比，指信号均方根振幅与所有频谱分量（包括谐波但不含直流）均方根和之比，在实际应用中希望SINAD的值越趋近于SNR值越好。1.76为理想ADC的量化噪声。

23无杂散动态范围SFDR（Spuriousfree Dynamic Range）

SFDR是指基本频率与杂波信号最大值之比，负责表征量化整个系统的失真的指标。由于杂波通常表示器件输入与输出之间的非线性，因此产生与各个谐波中。

24总谐波失真THD（Total Harmonic Distortion）

THD是指输入信号与所有谐波的總功率比。总谐波失真用以表达其对信号的谐波含量的作用或者影响，提供了系统对称和非对称非线性产生的总失真大小。

3动态测试方法

ADC的动态测试方法一般采用FFT的方法，该测试方式可以同时对多个频率进行采样，测试效率比较高并且可以充分利用。同时也可以全面的反映出ADC的动态参数。

进行理论仿真测试时设输入信号幅度为0.8Vpp，频率30 MHz，无噪声，ADC采样时钟为40 MHz，量化位数为14bit，进行仿真频域图如图1所示：

从图上可以得出其信噪比较差，信号宽度过大。信噪比=23.9957，有效位数=3.6935。和实际14bit相差甚远。通过实验，hanning窗可以有效抑制谱泄露，仿真结果如图2所示：

从图上可以得到信噪比= 84.4200，有效位数= 13.7307，与理论值14bit基本接近，符合仿真输入的条件。

4改进正弦波测试

实际中采用芯片为ADI公司的AD6645，该芯片是一款高速、高性能、14位模数转换器。在测试时具体过程为：由信号源生成正弦波输入到待测试的ADC芯片后，经过ADC芯片转换为数字信号，将所得到的数字信号进行采集和存储后，送入PC机通过MATLAB对数据进行FFT变换从而计算出相关的动态参数。endprint

但是测试时信号源不可能输出理想的正弦波，而是包含噪声和谐波分量的信号，表达式如下：

其中第一项A02是常数项，是直流分量；Ancos（nΩt+φn）为n次谐波，An为n次谐波的振幅，φn是其初相角。由此可表明周期信号可以分解为各次谐波分量。n（t）为包含噪声。

对于信号源性能是由信噪比SNR指标来衡量的，并且任何一个信号源的信噪比在相当大范围内基本不会变化，换句话说当输出信号幅度衰减k倍时，噪声功率将衰减k2倍。输出信号谐波幅度一般也是和信号幅度按同比衰减。而对于ADC系统而言固有的噪声则是和输入信号幅度不相关的，并不会受输入信号幅度的影响。[5]因此当信号幅度衰减k倍时，测量得到的信噪谐波比可表示为：

SINAD=10lgSIN2/k2NIN2/k2+N2ADC （4）

其中SIN是信号源输入信号幅值，即有用信号；NADC是ADC 系统固有的噪声影响，该参数在测量结果中会有所反映。而NIN则是由信号源测试设备带来的，该参数在测试中不是关注对象，因而要求在测试过程中想办法去掉该项的影响。

根据上述公式计算得到真实信噪比为：66.9232，真实有效位数为：10.8243。查阅AD6645的手册，工作在40 MHz附近时，信噪比为73.5 dB左右，计算得到有效位数为11.9。加上信号传输、接头干扰和板上其它器件的影响，有效位数应该进一步降低。因而该测试方法更加接近实际使用情况。

5小结

在实际工程应用中发现如果简单的采用均方差的方式对信号的输出数据进行变换，测试结果往往偏高。但是采用本文中的方式，规避的了信号源的影响，较真实的体现了ADC系统的动态特性。在测试时需要注意为减少偶然误差的影响尽可能要取多次测试结果进行平均。此外k1和k2的取值相差不宜太小。在实际工程测试中已经采用并获得较好的效果。

参考文献

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