第 5卷 　第 1期 实 验 科 学 与 技 术 ·541· 高速 ADC的性能参数与测试方法 骆丽娜 , 杨万全 (四川大学电子信息学院 　四川 成都 　610064) 摘要 : 随着计算机技术的飞速发展和普及 , 数据采集系统迅速得以应用 。A /D 转换器是采集通道的核心 , 也是影响数据采集系统速率和精度的主要因素 。因此对 A /D性能的测试变的尤为重要 。该文介绍高速 ADC的各 项性能指标 , 重点讨论利用仿真软件 Matlab和 FFT算法仿真分析测试 ADC性能的方法 。 关键词 : ADC参数 ; 快速傅里叶变换 ; 信噪比 ; 谐波失真 ; 无杂散动态范围 中图分类号 : TP274·2　　文献标识码 : B　　文章编号 : 1672 - 4550 (2007) 01 - 0145 - 03 ADC Parameters and the TestM ethod (College of Electronics and Information Engineering, Sichuan Univ Chengdu Sichuan　610064, China) LUO L i na, YANG W an quan Abstract: Data acquisition system develop s quickly along with the development of the computer technology. A /D con verter is the key to the acquisition channel. And it is the main factor which influences the rate and the p recision of the ac quisition system. A s a result, it is very important to test the capability of the A /D. This paper describes the parameters of ADC, and analyzes the parameters by using sine wave after FFT transform which is p roduced by Matlab. Key words: ADC parameter; FFT; SNR; SINAD; ENOB; THD; SFDR 1　引 　言 数字信号的二进制位数 。量化电平的公式为 : Q =VFSR /2N ( 2) 目前的实时信号处理机要求 ADC尽量靠近视 2 3　全输入范围 频 、中频甚至射频 , 以获取尽可能多的目标信息 。 因而 , ADC的性能好坏直接影响整个系统指标的 高低和性能好坏 , 从而使得 ADC的性能测试变得 十分重要 [ 1 ] 。表征 ADC性能的参数 , 由于尚无统 一的标准 , 各主要器件生产厂家在其产品参数特性 表中给出的也不完全一致 。一般来说 , 可以分为静 态特性和动态特性参数 [ 2 - 3 ] 。 2　ADC静态特性 2 1　分辨率 ADC的分辨率定位为二进制末位变化 1 所需 的最小输入电压与参考电压的比值 , 即 ADC能够 分辨的最小模拟量的变化 : 全输入范围是指允许输入模拟信号的最大值与 最小值之差 。 4　动态范围 2 动态范围是指全输入范围与 ADC最小可分辨 的量值之比 。 5　偏置误差 2 ADC的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状 态时 ADC 的输入电压与理论上使最低位被置成 “1”状态时的输入电压之差 。 2 6　增益误差 当偏置误差高速为零之后 , 输出为全 1时对应 的实际输入电压与理想输入电压之差 。 R = V ref /2N V ref = 1 2N (1) 3　ADC动态特性 2 2　量化电平 量化电平定义为满量程电压 (或满度信号值 ) UFSR与 2的 N 次幂的比值 , 其中 N 为被数字化的 高速 ADC的动态特性是指输入为交变简谐信 号时的性能技术指标 , 与 ADC的操作速度有关的 特性 。在理想情况下是由量化所引起的等效量化噪 [收稿日期 ] 2006 - 11 - 22; [作者简介 ] 骆丽娜 (1982 - ) ,女 , 硕士研究生 , 专业方向 : 通信与信息工程。 [修改日期 ] 2006 - 12 - 01 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

·641· 实 验 科 学 与 技 术 2007年 2月 声 , 而实际 ADC的动态性能指标则是由于 ADC的 非线性等因素所产生的失真 、噪声及频响误差等 。 3 1　频率响应 它是冲击响应的傅里叶变换 , 其最佳表达方式 是幅频与相频曲线 , 从系统辨识的角度看这是在频 域对 ADC动态线性特性的非参数模型描述 。 3 2　动态积分非线性误差和动态微分非线性误差 动态积分非线性误差 ( INL )定义为在动态情况 下 (一般输入信号为正弦信号 ) , ADC实际转换特 性曲线之间的最大偏差 。每个数码的偏差都是由数 码的中心值来度量 。ADC的 INL 是由 ADC的模拟 前端 、采样保持器及 ADC传递函数的非线性造成 , INL引起的各阶失真分量的幅度随输入信号幅度变 化 。在某些情况下 , INL以相对最佳拟合直线来定 义 , 拟合曲线通常用最小二乘法求出 。 动态微分非线性误差 (DNL )定义为在动态情 况下 (一般输入信号为正弦信号 ) , ADC实际转换 特性的码宽 ( 1LSB )与理想代码宽度之间的最大偏 差 , 单位为 LSB。为了保证 ADC 不失码 , 通常规 定在 25℃时最大 DNL 为 ±1 /2LSB。ADC 的 DNL 是由 ADC本身的电路结构和制造工艺等原因造成 某些点的量化电压大于或小于标准量化电压 。ADC 的传递函数 DNL 引起的失真分量不仅依赖于信号 的幅度 , 而且也取决于 DNL出现的位置 。 这两项 指 标 是 从 输 入 输 出 特 性 的 角 度 描 述 ADC非线性的非数学模型指标 。 3 3　谐波失真和总谐波失真 由于 ADC的非线性使其输出发生失真 , 在输 出的频谱中出现许多输入信号频率的高次谐波 , 这 些高次谐波分量称为谐波失真分量 。 总谐波失真 ( THD )是指 ADC输出信号中包含 的全部谐波分量的总有效值与满度输入信号有效值 之比 , 用 dB 或 %表示 。 对指定幅度和频率的纯正弦波信号输入 , 在模 数变换器的输出频谱中 , 包含混叠在内的所有谐波 成分的方均和 。除特别指出外 , THD 由第 2 个到 第 10个谐波的方均和来估算 。 THD 也用与输入频 率的输出成分幅度的方均根的比的分贝数表示 。 3 4　信噪比 、信噪失真比和有效位数 信噪比 ( SNR)是信号电平的有效值与各种噪声 (包括量化噪声 、热噪声 、白噪声等 )有效值之比 的分贝数 。其中信号是指基波分量的有效值 , 噪声 指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值 (除谐波分量和直流分量外 ) 。对正弦输入信号 , 信噪比的理想值是 : SN R = (6 (3) 其中 , N 为 ADC的位数 。与信号带宽有关的信噪 比 : 02N + 1 763) dB 02N + 1 763 + 10 lg ( fs /2fa ) ) dB (4) SN R = (6 由式 (4)可得到这样一个结论 : 当采样频率每 增加 4 倍 , 信噪比就提高 6 dB , 相当于提高 ADC 的 1位有效位数 。 信噪失真比 ( SINAD )也称信纳比 , 指 ADC 输 出端信号有效值与奈奎斯特频率以下的全部噪声和 谐波分量 (包括随机噪声 、非线性引起的谐波分量 以及采样定时误差的影响等 , 但不包括直流分量 ) 的总有效值之比 , 记作 S / (N + D ) 。主要是为了强 调谐波失真 。 S INADdB = 20 ×lg (A signal [ rm s ] /Ano ise [ rm s ] ) ( 5) 有效位数 ( ENOB )是指在噪声和失真存在时 , ADC实际可达到的位数 。 ENOB = [ S INAD - 1 763dB ] /6 02 (6) 3 5　小信号带宽和全功率带宽 ADC的模 拟 带 宽 是 指 输 入 扫 描 频 率 基 波 在 ADC输出端用 FFT分析得到的基波频谱下降到 3 dB 处的带宽 (不考虑谐波失真和噪声影响 ) 。根据 输入信号幅值不同 , 模拟带宽又可以分为小信号带 宽 ( SSBW , 一 般 指 1 /10 满 量 程 ) 和 全 功 率 带 宽 ( FPBW , 指满量程 ) 。 3 6　无杂散信号动态范围 高速 ADC应用在通信系统中 , 最重要的技术 指标之一就是无杂散信号动态范围 ( SFDR ) 。ADC 的 SFDR定义为在第一奈奎斯特区测得信号幅度的 有 效 值 与 最 大 杂 散 分 量 有 效 值 之 比 的 分 贝 数 。 SFDR通常是输入信号幅度的函数 , 可以用相对输 入信号幅度的分贝数 ( dBc)或相对 ADC 满度的分 贝数 (Dbfs)来表示 。 N 位 ADC的 SFDR通常比 SNR理论值大许多 , 这是由于噪声与失真之间的度量方法有着根本的区 别 。值得注意的是增加 ADC的分辨率可以提高其 SNR , 但是不可能增加 SFDR。 3 7　互调失真 当 ADC 输 入两 个频 率靠近 的 信 号 时 , 由 于 ADC传递函数的非线性 , 将导致互调失真 ( IMD ) 。 通常用两个频率 f1 和 f2 的纯正弦波同时加到 ADC 的输入端 , 为了在两个信号同相位时不导致 ADC 限幅 , 这两个信号的幅度应稍大于 ADC的半满量 程 。除另有说明 , 互调失真是指 3阶分量引起的失 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 1 1 1 1 1 1 1 1 第 5卷 　第 1期 Experiment Science & Technology ·741· 真 , 它是某一输入信号幅度的有效值与 3阶互调失 真有效值之比的分贝数 dBc表示 。谐波失真和互调 失真是在频域描述 ADC的动态非线性的非参数模 型指标 。 4　ADC性能测试 ADC测试方法主要有两种 : 模拟方法和数字 方法 。前者是将 A /D采集的数字信号经 D /A 转换 为模拟信号再用传统的测试方法对其进行测试 , 优 点是易于理解 , 缺点是许多 A /D 采集卡本身不带 D /A , 即或有 , D /A 的性能也将影响 A /D 指标的 测试 ; 后者一般采用 FFT算法 , FFT方法有许多优 点 , 本文将利用 Matlab仿真工具研究用 FFT分析 测定 ADC 的有效位数 ( ENOB ) , 信噪比 ( SNR ) , 信纳比 ( SINAD ) , 谐波失真 ( THD )以及无杂散动 态范围 ( SFDR)的方法 。 FFT是从频域测试 ADC 的一种方法 , 步骤如 下 : (1) 产生一个基波为 f0 的正弦波信号 x, 其采 样频率为 fs。 (2) 利用 matlab自带的函数 y = awgn ( x, sn r, ′ easu red′, sta te) 为正弦波信号 x 加上信噪比为 sn r 的噪声 (这个是为了验证用 FFT算法测试 ADC 性 能的正确性 ) 。 (3) 根据 FFT运算的结果 , 首先计算信号的 有效值 Signal。然后取基频和其两旁适当数目的采 样值 , 求它们的平方和的平方根 。所需采样的数目 由已知的 ADC的分辨率决定 。其余的频率采样值 的平方和的平方根作为噪声的有效值 Noise, 它包 括量化噪声 、ADC 的谐波噪声 、超越噪声及 FFT 的舍入误差 。有了这两个有效值就能计算 ADC的 信纳比 ( SINAD ) 。再根据公式 ENOB = [ S INAD - 1 可以求出 ADC的有效位数 。 763dB ] /6 02 (7) ( 4) 根据基频 f0 , 采样频率 fs 以及采样点数 N 可以计算出信号的谐波量 , 计算方法如下 : fh [ n ] = ( nfr +N fs ) modfs , n = ±[ 2, 3, …, H ] 式中 , fr 为参考输入频率 , 一般 H = 10。 (8) 谐波的位置 nh 的计算为 : (9) 然后求出所得谐波分量采样值幅度的平方和的 nh =M fh [ n ] / fs 平方根 , 作为谐波分量的有效值 Harmonics。 (5) 根据前面求得的信号的有效值 Signal, 噪 声有效值 Noise以及谐波分量的有效值 Harmonics, 可以求得 SNR , 以及 THD。 (6) 再求出除基波分量以外幅度值最大的杂 散分量 , 从而求得无杂散动态 SFDR。 在该仿真中 , 我们选定一个频率为 1 MHz的 正弦波 , 采样频率为 10 MHz, 设置的理论信噪比 为 48 dB。用上述方法进行仿真后的结果如图 1和 图 2所示 。 图 1　正弦信号频谱 图 2　除去基频和直流分量的正弦信号频谱 仿真计算所得的各项指标值为 : S INAD = 47 991 5; SN R = 47 995 1; ENOB = 679 1; THD = - 78 7 可以看出通过仿真计算所得的信噪比与我们设置的 理论信噪比基本吻合 , 也证明了算法的正确性 。 737 9; S FDR = 77 699 9 5　结束语 本文介绍了高速 ADC的特点 、性能指标和性 能测试方法 , 重点讨论了利用仿真软件 Matlab和 FFT算法仿真分析测试 ADC性能的方法 , 仿真结 果表明该方法可以运用于对实际 ADC的性能测试 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王卫江 , 陶然 高速 ADC的性能测试 [ J ] 电子技术 应用 , 2004 (2) : 33 - 34 [ 2 ] 周新华 , 马英 数据采集系统的性能测试 [ J ] 电讯 工程 , 2003 (2) : 5 - 8 [ 3 ] 卢黄丽 , 吴刚 电子电路虚拟测试技术支撑系统设 计 [ J ] 现代雷达 , 2003, 25 (8) : 17 - 19 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net