实验三 高性能模拟数字转换技术

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的噪声均方值与理想ADC标识分辨率情况下的

2、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。高稳定度单频信号源ADC同步FIFO或逻辑分析仪PC时钟fsfaNN图1 FFT测试框图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）。SINAD通过FFT运算

3、结果和下式计算得到。 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（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。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ADC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

4、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。SFDR：78dB图2 ADC采集结果的频谱图由图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

5、统的众多性能参数。四、实验电路 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，采用正弦波变压器耦合，保证时钟信号稳定可

6、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Vref±0.5V，而实际外部输入信号可以为±。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： 由给定的电阻数值，调节W1可得：，满足AD9042输入要求。为避免数字电源对模拟电源的干扰，影响AD9042的精度

7、，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

8、数字处理。五、实验内容及步骤1. 连接方式模数转换部分（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幅度调整到以内，频率调整到200KHz，产生单一正弦信号，送给I通道；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)F=200 kHzI-10Q-10-8-8-6-6F=100 kHzI-10Q-10-8-8-6-6六、实验报告1. 处理记