高精度國(guó)產(chǎn)ADC測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭曉飛， 李 杰， 張德彪， 宋金昊

(1. 中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051; 2. 太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 山西 太原 030051)

0 引 言

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速提升與數(shù)字電路運(yùn)算速度的加快，以及對(duì)系統(tǒng)靈敏度要求的不斷提高，進(jìn)而促使對(duì) ADC（analog to digital converter）、DAC（digital to analog converter）測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo)提出了高速、高精度的更高要求標(biāo)準(zhǔn)[1]。在雷達(dá)和衛(wèi)星通信中，所需的信號(hào)帶寬已經(jīng)達(dá)到2 GHz以上，5G移動(dòng)通信技術(shù)在使用毫米波頻帶時(shí)也使用了2 GHz以上的信號(hào)帶寬[2]。雖然在一些場(chǎng)合(如線性調(diào)頻雷達(dá))可以使用頻帶拼接來(lái)實(shí)現(xiàn)高帶寬，但畢竟拼接方式對(duì)通信和其他復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的傳輸來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，有很多限制。因此，高速高精度ADC/DAC芯片在采樣或產(chǎn)生高頻信號(hào)時(shí)的性能對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)至關(guān)重要[3]。

由于各種客觀因素，我國(guó)航天裝備大量使用進(jìn)口電子元器件，在安全隱患、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、供應(yīng)鏈等方面存在諸多問(wèn)題，因此我們必須積極推進(jìn)進(jìn)口電子元器件國(guó)產(chǎn)化。我國(guó)電子元器件生產(chǎn)起步較晚，受各種客觀條件和進(jìn)口電子元器件知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)體系不完備，性能指標(biāo)測(cè)試覆蓋不全，因而急需對(duì)國(guó)產(chǎn)器件的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試提供符合要求的規(guī)格書，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。

文獻(xiàn)[4]通過(guò)LabVIEW和FPGA構(gòu)建了ADC通用化測(cè)試平臺(tái)，由于測(cè)試算法簡(jiǎn)單，僅能滿足基本測(cè)試，且時(shí)鐘頻率較低，不能滿足高速ADC的測(cè)試；文獻(xiàn)[5]高精度高速ADC測(cè)試方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，雖然能夠滿足復(fù)雜的測(cè)試算法，但其外圍接口相對(duì)比較固定，且測(cè)試人員操作難度大，通用性不強(qiáng)；文獻(xiàn)[6]高性能模數(shù)變換器測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)緩存儲(chǔ)存速度較慢，在測(cè)試高速ADC時(shí)，容易造成數(shù)據(jù)丟失。

基于現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)的不足，設(shè)計(jì)了以高速FPGA為控制核心的硬件方案，采用子母板卡分離，預(yù)留多種接口；采用DDR3 SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，EMMC進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提高ADC測(cè)試平臺(tái)的通用性，實(shí)現(xiàn)ADC的測(cè)試和驗(yàn)證。

1 ADC典型參數(shù)分析

表征ADC性能的指標(biāo)一般可分為兩類：靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。其中，靜態(tài)指標(biāo)代表ADC自身的內(nèi)部特性，與其內(nèi)部電路中的誤差和噪聲有關(guān)，這些誤差包括失調(diào)誤差、積分非線性、微分非線性、失碼等。主要比對(duì)特定的模擬輸入電平與對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出代碼的關(guān)系，可以經(jīng)過(guò)直方圖統(tǒng)計(jì)得到靜態(tài)指標(biāo)[7]；動(dòng)態(tài)參數(shù)代表ADC采樣和重現(xiàn)時(shí)序變化信號(hào)的能力，測(cè)試時(shí)主要關(guān)注分辨率、信噪比、有效位數(shù)、信納比、總諧波失真等參數(shù)。動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試取自ADC量化結(jié)果的頻譜。通常是對(duì)輸入的純凈正弦激勵(lì)進(jìn)行采樣，然后對(duì)輸出的數(shù)字量進(jìn)行 FFT 頻譜分析[8]。

1.1 高速ADC動(dòng)態(tài)參數(shù)

動(dòng)態(tài)參數(shù)根據(jù)實(shí)際測(cè)試條件，可選擇使用相干和非相干FFT測(cè)試方法。由于頻率精度等因素影響，在采用非相干采樣時(shí)需要進(jìn)行加窗處理。采用相干采樣或經(jīng)過(guò)加窗處理后的非相干采樣時(shí)，選擇特定的模擬頻率，以允許采集的樣本數(shù)據(jù)在記錄長(zhǎng)度內(nèi)轉(zhuǎn)換的代碼盡可能多[9]。最后通過(guò)FFT計(jì)算得出功率譜，進(jìn)而計(jì)算得出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。FFT測(cè)試的結(jié)果一般以分貝來(lái)衡量，有效信號(hào)單位可以用dBc來(lái)表示。圖1所示為具體流程。

圖1 利用FFT測(cè)試結(jié)果計(jì)算得出動(dòng)態(tài)參數(shù)的具體流程圖

在ADC采集到純凈的正弦信號(hào)后，根據(jù)圖2可得到在Nyquist帶寬內(nèi)ADC典型動(dòng)態(tài)參數(shù)的頻域內(nèi)定義。

圖2 ADC典型動(dòng)態(tài)參數(shù)的頻譜示意圖

信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）：指在規(guī)定條件下信號(hào)分量功率與噪聲總功率之比，單位dB。從數(shù)字樣本來(lái)說(shuō)，SNR是滿量程模擬輸入的均方根與其量化誤差均方根的比值[10]。輸入正弦激勵(lì)的SNR可描述為：

信納比（signal-to-noise and distortion, SINAD）：指信號(hào)分量功率與噪聲分量功率及諧波分量功率的和之比，單位dB。數(shù)學(xué)上，SINAD被描述為：

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（spurious-free dynamic range,SFDR）：指信號(hào)分量功率與最大失真分量功率A2HD_MAX的比值，單位dBc。雖然與總諧波失真類似，但SFDR體現(xiàn)了轉(zhuǎn)換器的帶內(nèi)諧波特性：

有效位數(shù)（significant digits, ENOB）：指 ADC在工作時(shí)所能達(dá)到的處理精度，單位bits。在理想情況下誤差僅包含噪聲。它由ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算得出：

1.2 高速ADC靜態(tài)參數(shù)

微分非線性(differential nonlinearity, DNL)：表示實(shí)際轉(zhuǎn)移的曲線與理想轉(zhuǎn)移曲線偏離的程度。用LSB表示。即：

式中: A P(nthcode-)-第n個(gè)碼元的樣本采集數(shù)量；

IP(nthcode)理想的第n個(gè)碼元的樣本數(shù)量。

積分非線性(integral nonlinearity, INL)：指實(shí)際轉(zhuǎn)移曲線的碼寬與理想轉(zhuǎn)移曲線碼寬的最大偏移[11]。用LSB表示。即：

失碼：指某一代碼的DNL為-1 LSB。在規(guī)定條件下，測(cè)試模擬輸入電壓在滿量程范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出端缺失相應(yīng)碼元的數(shù)量。

失調(diào)誤差：指輸出端生成中間碼元時(shí)模擬輸入的電壓與理想電壓之間的差值。

滿量程誤差：指實(shí)際滿量程代碼轉(zhuǎn)換電壓與理想滿量程轉(zhuǎn)換電壓之間的百分比差異。滿量程誤差是負(fù)滿量程或正滿量程代碼轉(zhuǎn)換電壓誤差的最差情況。

2 測(cè)試平臺(tái)組成

設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)主要包括信號(hào)發(fā)生器、帶通濾波器、測(cè)試夾具、低噪聲電源、編碼源、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析軟件[12]?？傮w方案如圖3、圖4所示。數(shù)據(jù)采集模塊可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的USB線連接到個(gè)人電腦上，通過(guò)上位機(jī)軟件可以快速評(píng)估ADC性能。數(shù)據(jù)采集模塊（母板）由一塊FPGA主控，可以完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，由上位機(jī)分析計(jì)算得出ADC的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)（原理）

圖4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)（實(shí)驗(yàn)）

2.1 通用ADC測(cè)試板卡設(shè)計(jì)

完成ADC靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試需要輔助儀器，如信號(hào)發(fā)生器、噪聲發(fā)生器、高精度萬(wàn)用表、示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、高精度電源等。這些信號(hào)源應(yīng)該具有出色的性能（低相位噪聲、平坦的頻率響應(yīng)、極高的輸出功率）。這些發(fā)生器的諧波性能一般不如特定 ADC 固有的線性度好，因此需要在模擬輸入信號(hào)端與信號(hào)發(fā)生器之間進(jìn)行濾波處理。

2.1.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源是保證ADC測(cè)試性能的關(guān)鍵，大多數(shù)ADC的電源抑制比都較差，所以必須提供干凈的無(wú)噪聲電源。本設(shè)計(jì)采取開關(guān)電源與線性電源同步使用的原則，第一級(jí)電壓變換采用開關(guān)電源，最后一級(jí)電源采用線性穩(wěn)壓器。

ADC一般分為數(shù)字端電源和模擬端電源，采用ADP3303ARZ-5為ADC模擬端提供電源，其具有出色的低噪聲性能。為減少數(shù)字端耦合到模擬端的噪聲，采用ADP7105為數(shù)字端提供電源，ADP7105是一款CMOS、低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器如圖5、圖6所示。

圖5 ADC模擬端電源

圖6 ADC數(shù)字端電源

由于信號(hào)調(diào)理電路對(duì)噪聲更為敏感，為避免ADC數(shù)字端與模擬端對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的影響，本方案采用單獨(dú)電源為信號(hào)調(diào)理電路供電，有一點(diǎn)需要特別考慮的是信號(hào)調(diào)理電路有負(fù)電壓，所以第一級(jí)電源采用具備正負(fù)電源輸出的開關(guān)電源芯片如圖7所示。

圖7 外部12V轉(zhuǎn)換為板級(jí)信號(hào)調(diào)理電源（ADP5071AREZ大功率板級(jí)第一級(jí)電源）

對(duì)于ADC來(lái)說(shuō)，基準(zhǔn)電壓尤其重要，是準(zhǔn)確量化的基礎(chǔ)，為了獲得高精度的基準(zhǔn)，本方案采用高精度的專用基準(zhǔn)電壓芯片ADR431是一款電壓基準(zhǔn)系列，具有低溫漂移、精度高和噪聲低等性能。如圖8所示。

圖8 基準(zhǔn)電壓

2.1.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

如果指定濾波器，則需要由大鐵芯制成的濾波器以防止飽和。濾波器通常設(shè)計(jì)用于大約 5 dBm的輸入功率。但是，在許多情況下，驅(qū)動(dòng)ADC 需要遠(yuǎn)大于該值，從而導(dǎo)致磁芯飽和和失真。指定更大的磁芯有助于減少由磁芯飽和引起的雜散失真。最后值得一提的是，濾波器連接器可以同時(shí)指定。找到要在不同連接器類型之間轉(zhuǎn)換的適配器很容易，但使用適配器可能會(huì)導(dǎo)致差異并影響轉(zhuǎn)換器性能。對(duì)于8-位和10-位轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)并不算什么問(wèn)題，但在12-位、14-位和16-位轉(zhuǎn)換器上卻非常明顯。

為了對(duì)比不同濾波器對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了兩種濾波器，一種是采用集成濾波器芯片，一種是采用基于運(yùn)算放大器構(gòu)建的濾波器。如圖9、圖10所示。

圖9 基于運(yùn)放的帶通濾波器

圖10 集成帶通濾波器

2.2 通用數(shù)據(jù)處理板卡（母板）設(shè)計(jì)

通用數(shù)據(jù)處理板卡主要完成ADC數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將預(yù)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理得出ADC的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.1 數(shù)據(jù)接口的實(shí)現(xiàn)

目前主流的A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)接口已升級(jí)為JESD204B接口[13]。JESD204B不再采用傳統(tǒng)的幀時(shí)鐘，而是采用設(shè)備時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)高達(dá)12.5 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。為保持發(fā)送器和接收器同步，JESD204B 標(biāo)準(zhǔn)加入了確定性的延遲，并采用諧波時(shí)鐘以低速輸入時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘[14]。

由圖11所示，在測(cè)試A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘通過(guò)FMC接口輸入到FPGA中，在FPGA內(nèi)，完成數(shù)據(jù)的接收、采樣緩存，在經(jīng)過(guò)跨時(shí)鐘域處理之后，將采樣到的數(shù)據(jù)寫入DDR3 SDRAM中，之后通過(guò)以太網(wǎng)接口或者光纖接口，將采集的數(shù)據(jù)從DDR3 SDRAM中讀出并上傳到PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)的軟件分析，并自動(dòng)完成A/D轉(zhuǎn)換器各項(xiàng)性能參數(shù)的計(jì)算及圖形化顯示，同時(shí)生成相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告。本設(shè)計(jì)預(yù)留了豐富的數(shù)據(jù)接口，包括兩路USB3.0接口，用于跟上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的的交互，兩個(gè)USB3.0接口可以同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行。具備6路RS232/RS485總線接口，用于和上位機(jī)以及其他外設(shè)進(jìn)行交互（狀態(tài)變量的監(jiān)控）。具有20對(duì)LVDS接口，用于和子板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，LVDS也可配置為CMOS電平接口。具備JESD204B標(biāo)準(zhǔn)接口功能，可用于跟ADC進(jìn)行交互，JESD204B也可配置為RAPIDO高速接口，用于和母板進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交互。具備10路串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI），通過(guò) SPI接口，允許用戶訪問(wèn) A/D轉(zhuǎn)換器的地址空間，通過(guò)SPI寄存器的寫操作對(duì)芯片功能進(jìn)行控制，通過(guò)讀操作監(jiān)控芯片的內(nèi)部工作狀態(tài)。

圖11 A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)試鏈路框圖

2.2.2 DDR3 SDRAM高速緩存實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用DDR3 SDRAM作為A/D轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以滿足高性能轉(zhuǎn)換器測(cè)試時(shí)對(duì)高帶寬、高存儲(chǔ)深度、高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀寫的要求[15]。DDR3 SDRAM高速緩存電路的實(shí)現(xiàn)主要由兩部分組成：高速且大容量的存儲(chǔ)和通過(guò)FIFO實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)緩存。圖12展示了以 DDR3 SDRAM 為核心的數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)。

圖12 ADC數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)框圖

2.2.3 EMMC高速大容量存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于ADC進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，并且掉電不能丟失，方案采用4片512 GB的EMMC來(lái)存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)，總有效存儲(chǔ)容量為2 TB。4片存儲(chǔ)速度最高可到4×250 MB/s=1 GB/s，可滿足對(duì)ADC的測(cè)試需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試：

1)將HWD976待測(cè)板卡置于規(guī)定的環(huán)境與直流電源、專用控制母板連接；輸入高精度的正弦波fIN=45 056.152 343 75 Hz ，其采樣頻率設(shè)為fSAMPLE=200 kHz；

2)接通電源，給定器件電壓、模式控制引腳電壓，將器件數(shù)字輸出通過(guò)高速接口連接至數(shù)字采集端；

3)通過(guò)高性能射頻信號(hào)源提供特定頻率的模擬輸入信號(hào)，并連接固定頻率的濾波器至HWD976模擬輸入端；

4)利用邏輯分析儀/專用控制母板控制HWD976進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，并采集器件數(shù)字輸出信號(hào)；

5)通過(guò)上位機(jī)軟件將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到頻域信息，并繪制出結(jié)果的頻譜圖形如圖13、圖14所示。

圖13 板卡1：25 ℃溫度下功率譜

圖14 板卡2：25 ℃溫度下功率譜

利用FFT變換結(jié)果，通過(guò)公式計(jì)算得出SNR、SINAD、SFDR等動(dòng)態(tài)指標(biāo)如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

靜態(tài)指標(biāo)測(cè)試：

1)電源施加5 V電壓供電；

4)待ADC達(dá)到工作穩(wěn)定狀態(tài)后，采集70 000 000個(gè)輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)點(diǎn)；

5)統(tǒng)計(jì)每一個(gè)輸出碼元對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)量并構(gòu)建直方圖，根據(jù)正弦的概率密度函數(shù)計(jì)算理想碼元對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)量；

6)根據(jù)公式計(jì)算得出DNL和INL如圖15、圖16和表2所示。

表2 靜態(tài)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

圖15 板卡25 ℃微分非線性

圖16 板卡25 ℃積分非線性

對(duì)國(guó)產(chǎn)HWD976芯片進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，對(duì)比芯片手冊(cè)和本次測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證ADC性能評(píng)估系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，為此后測(cè)試國(guó)產(chǎn)芯片奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于高速FPGA構(gòu)成的硬件測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速ADC輸出信號(hào)的接收、處理和存儲(chǔ)，能夠滿足完成ADC芯片的性能測(cè)試。得到以下結(jié)論：

1)采用子母板卡分離，預(yù)留多種接口，極大的提高了測(cè)試平臺(tái)的通用性，降低ADC測(cè)試成本；

2)采取開關(guān)電源與線性電源同步使用，降低電源噪聲對(duì)ADC測(cè)試的影響，提高測(cè)試精度；

3)該測(cè)試平臺(tái)能夠滿足通用ADC測(cè)試需求，有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。