QJ 2614-1994 高速A D转换器动态特性测试方法.pdf

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1、!j 中国航天工业总公司航天工业行业标准QJ 2614叫94高速A/D转换器动态特性测试方法1994-03-29发布1994-10-01实施中国航天工业单公司发布中国航天工业总公司航天工业行业标准QJ 2614 94 高i攘A口转棋器动Z坚持性测试方法I :E蜡内容与适用范围本书在准规定了。l20M江z尚迎A/D转换器（简称ADC）动态特性的测试琐日和测试方法本标准适用于0.120MHz高速ADC动态特性的测试对于20MHz以上的高速ADC的动态测试也可参照本标准执行。2 术i磊、符号2. I 术语2. I. I 动态特性离i道ADC在定的转换速攘的情况下，司提明其有效位数和主E度等各种性能参

2、敬指标的总称2. I. 2 倍蝶比i高度输入iE弦波的条件下，均方根输入商号电平均均方根量化曝商之比画2. 1. 3 有效位数计1H自陆最比之影响而实际测算出的ADC转换位数，2. I. 4 手Ll圣的l诩来样的时延m2. I. 5 lLB.误盖在由于孔轻时闷的存在以及输入信号变化率影响附产生的转换谈皇室, 2. I. 6 于L径抖动由于孔校时即变化引起的均方根误装电压与过零点iB在波变化潮的比低62. I. 7 总谐波失真均1f恨信号咆平与的1i次谐泼的均方根比值的对敏运捷尔2. I.自由量大满/fiB直波频率产E二分之一最低有效位于L1圣说是在时，ADC转换器的最大iE弦信号频惑。1” I

3、. 9 频i曾分析带究ADC搬快速窝里叶（FFT）分析时，相邻谱统锁谱峰之间的闹闹中国航灾工业总公司199403-29批准1994 10-01实施QJ 261494 2. I. 10 相干；在样测试当测试的样周期为输入IE在被用剿直敬f古时叫相干采样测试2. I. II 非中自干样测试测试的来样周期不为输入Ej在波周期fit数俯时叫非相干采样测试2. 2 符号S/ N俗噪比，dB;EB一有效位数，bit;几一子L役误事罢，V,t，一孔转抖动，”THD总谐波失真，dB;!if 频谱分析带宽，日z;N一位数，bit;q最低有效(LS町的仅，V;W”第n次费生报来样的加仅系做；f，.输入IE弦彼育与

4、普频率，Hz;M总采样次敬；f, 采样时钟频惑，Hz;ti v，川由于均为根孔辛苦抖胡产纹的均方根谈泣咆底，V;d V/dt IE波在过零点的变化率，V/s;儿“x最大1高！lLiB在波频率，Hz; NPR噪声功且在比，dB.3 测试Jill 2MHz); 杂彼图最简!l做为曦窝。有政论f毒化噪声、转换梯i皆被碾南、FFT处颇引入曦商军事4. I. 3. I. 4. I 理论盛化噪声的信嗨比将ADC位做N代入公式l计算出理论均方恨信号与理论均为根最化信眼比。例如刘N=S，目ns位ADCit化瞰商基底或理论情噪比（S/N）丁为50ctB,10 UL 为62dB等。4.1.3.1.4.2 满波失真

5、的健腕比( S/ N) H川咐。）主纪中旦，刷一均1i恨f窗号咆卒，H，啊，一均方恨谐波电平4. I. 3. l. 4. 3 FFT处理的引入噪声在FFT乘法和加法运算中，忽略了由于采用有限bit数引起的i虫攘，un忽略了DSP（数字俗号处琐曦商计算寻入的合入谈笼B由此，在个宽度为Aj的岛生频包中，均力很侈品苦与均1f假日提阳电平之比为h( S/ N）附6.0川I.76叫芋(8) 公式8中M的选择姿使苦苦1:分量我这一基底J二至少改瞥！Od且，即M应不小于20.利用软件辛苦易产生一个硕想的N市bitiB古波，并可用求直函数(INT）截去部分值以获得适当的分辨j立7 QJ 2614 94 例如输

6、入频率为f，.制度为凡的俗号可if,为l1nf, V,=V,sin I，且。）直立中，v，光限分辨度的统n次ADC采林然后计算相应的重化值。v,(n) =IlT 2nf，附 川一丁。山f,q 川（10)式中q=2V,/2. 代入q后，公式10变为4 n 山川儿町n S N 句Jh TA N - - “民“, F L ) 1 1 ( 着要输i正FFT的动态范阔，利片4公式l计算信I噪btS/ N，可增加N的假，观传信曦比不再接6.02dB/bit增加的点，?j N泌ill无llJi!火时，正弦波输入对加仅函数和FFT都1l!理想当NH立任黛火时可火火减少窒化古是整影响和分析真正的FFT曦陶基底，

7、还可恰验仪函敢的特性，4. 1. 3. !. 5 结身臣表示方法f育呗比测试生古占祀的几种表示方法a.绘tf1S/NE寻输入正弦波锁率关系圈，该iE弦有相ii.恼度的？前it输入；b.绘州SfN与输入信号幅度关系凶该输入信号幡J.l!乎可固定的iE强波频率；上述两种阴形的组合4. 1. 3. 2 相干样测试相二F采样排除了i世橱，也无须采用权的数。中日千采桦的信辛苦频谱为一简单的单搬峰值。但对采桦迷率和iE弦彼频率有一7E限制。根据音公式12选摔测试条件/, - M, f, M (12) 8 QJ 2614 94 ：；！：巾M，采样期内，IE弦泼的整！谢期敬一般为1,3, 5, 7, 11,

8、13, 17等非偶数絮数，f川输入iEU置信号频率，Hz.f, 采样频来，Hz.另外，要求MJM必须为常费.这就要罢求采林顿到解L和输入频率J.来自于领栩频率综合器根据上丽要求选择输入信号频率和采样时钟频壤之后，测试稳序和分析处理方法见4. 1.3. l祭。4. 2 有放f生数的测试4. 2. I 幽线拟合法4, 2, I, I 测试根图测试恨阁见附I.4. 2. 1. 2 测试原琅根据号公式13的边论和测试系统，采集敬掘，编制软件，对测试结果利则曲线拟合法计算出有效位数4.2.1.3 测试稳序首先从输入端输入顿取B知的精确的正弦波并要;it:正炫波频B再来包含采样频率的低次i撞泼，然后边行敬

9、拥采袋，并将贯立掘存入测试系统中，3在采IX敬通常lilt1024，盘查j旨和IIll凶线似合法计算附有效仿数a时软件计算出理想iE恨和实际iE弦波的均1i恨裳Q，再根据公式13训班有效15L数E，为E川log2 (13) 也T式中Q，一磁想正弦波和实际.iE弦放的均方根袭，Q.，.理想均为根最优i更要靠qi、厅言”4. 2. 2 4自除比法4, 2. 2. l 测试很困测试框幽地自自I.4. 2. 2. 2 测试原穰1采用1甜度输入iE？在搅和FFT求S/N测试时，彼公式l烛导tl1公式14从而计算有效位数r (S/ N)A币1.76忖一一02(14) 9 QJ 2614 94 式中( S/

10、 N）人一实际的信网棋比四如巢:iB在输入f吉辛苦幡度小子满腔，必须按公式15计算有效位数(S/N)A呼吁1.76s E - + .！一. (15) 6.02 6.02 式中s, -I高度以下信号电平，V。4.2.2.3 测试程序首先根据4.1测出实际的信噪比S/N，然历根据公式14或公式15用软件计算出有放位敬，4. 2. 2. 4 处理为法还可根捕4.1.3.l.5条的内线，分析不同频率和不同幅度的有效分辨fl!.数4. 3 孔E抖动测试4. 3. I 测试拯阁测试桩图见图4,4. 3. 2 自由l试原理对于一个没有孔衔抖动的理想ADC，军Ei(:：方网上只有一个哥哥存在，而实际的转换器有

11、若干个阀形成某种分布，并可似it为正态分布孔径抖动4整整l可以认为是在ADC进行精确敬学转换时，对快迷变化的输入倚在手变化的能力的测量，i菌Ji孔较抖动可以计算州最大满庶.iE弦波频鸣声以及满l.f.iE弦扫宣传曦tt等候能悉数！其具体分析计算i竿见附录B（补充件）“首先测量均:tr！世孔径抖汹产生的均1r恨践经电fft, v .和.iE弦放在过零点的斜旦在dvl dt，按公式16计算JL径抖动t 4. 3. 3 测试程序低抖动脉冲产线根在被测ADC产线采桥时钟和憔拟输入信号，使两者之间的相仪抖动直在小调节可变移桐臼棍，使模拟输入俗号为ADC的中间伍里，在其最大车在倏感点放.113民样iE弦泼

12、，然后，根据数字化的ADC输出数据绘出宣方阁。根据自采样敬摇计算机？在偏差即孔径抖动产线的均力恨说羔电庄及过零点斜寐，按公式16计算子L辛辛抖动，4. 3. 4 测试结果处琅分析调节偏I:调节ADC的输入范闹，在1毫不网点定出正弦波的位置，由此可观察勾输10 入m附有关的经分非线性变化低抖动脉冲产生槐QJ 2614叩94数字信号她现器阁4可变:7Ctt事移相告8直口J在t巴输入iE弦波追查减到J最小，自国统栋称码散开的分布是由ADC阐有噪声所致，当输入iE弦梭的幅度、转换率dv/dt 增加，并成比例地变大时，由于孔稳抖动分布也开始散开e由于高转换率影响交流靠在分线枝，在1l:方网上应该意这一影

13、响4. 4 辈在分都线性il!Jlt4. 4. I 测试很囱测试恨自自见附1.4. 4. 2 测试W,U里现想ADC变然指采用满度兰兰角波输入时在每个频淑包中应有相应数寰的网元凶乡在n个蚓$例中i十及的陶先戳回归（n ），除I!)、所有的总采将数M,:;:E义为包的宽度（仅占满膛的很小部分） .）陈的包的宽度与组生目的包的宽度之tt为虽是分线性，E理想情况下，该比值为l.实际tt偏i咸1为羔分非统情（最低有效iZJ 由于实际采用的iE弦波输入不能象颇想：角被一样具有相同的网元概靡，因而对臣应波输入恼号，理想ADC将产生种概感Wi度函敬如公式17阴11 2614 94 (17) 式中.AiE弦波

14、崎值幅度，v.Ill此慨$俯腔函数归一化宜J凶敬锚，接此给出整分非线性圆形，见自目5.如果某一特定的阶J置于璐想觉眩，贝rJ相应阶位码光累计的码光数多于相应于理想阶仪的码无费.反之，帮于R理想宽庶的阶佼将累计小的码元数如果阶iSl码无数是零的计做假f患失网U(1)Aom(2ft) 大的提卅忡蜻做 失鸭晶的牛l姻罪余柑一1时占极影理国附逍即J？l响彻UMK +FS 。FS UA 。UA ( c) (b) (a) 自自54. 4. 3 测试方法使iE弦波输入频率与采样赖率非相干，对某个频率和瞒庶的iE弦波输入信号JRADC 的许多次采样，用i十班机计稣每个输出码产线的次数，1i:按计郭蒙分非线性的

15、结果，4按照圈5绘出11:方图。4. 4. 4 测试结果分析处理采用公式17对测量墨宝搅归一化，从附纷出主2分斗在线性自自形ADC的每一个同（即每一佼）的采样次敬烹小取20次，最多100次，以保证直在复性和可傍皮，缀冲存储榻的容最El!总采林次数来决定。4. 5 R噪声功那比4. 5. 1 测试框阁12 QJ 2614 94 测试恨自吕见自自6.4. 5. 2 测试原1盟曦商功事比（NPR）测试在顿分多工制（FDM）通讯镜中得到广泛的成肘，即6中的带阴滤汲捕捞宽为4kHz，愉仔为FDMi!i讯链的声音通道带寓分别测试接入和不接入帮阻滤波辘两种情况下接收机i草坡，测定两次i冀数之比，用dB农ff

16、,.接收机的中心频率和带阻滤波器的带觉，可根据首具体情况确定对测试系统中DAC的姿求详见附袋A3. 噪声咆l(b) 4. 5. 3拥1!;tljl序(a) 凶6真值均方惺电压表f 利用均1J根也压泼检iJltJa辑芦发生榕的输出并使其拉倒在：被测ADC的输入m网之内，分别测试在接入和不接入带1l滤波柑情况下的两次读数，计算其比债即为噪声功率tl. 4. 5. 4 测试结果处自量分析川且陶线根据系统的峰值电压范围作为均1i恨噪辩时凹的函数绘出因7是常用813位ADC的E理论NPR曲线。13 2614-94 . 值盹4dB,14.4dB K去5.26，絮195mVV叮国曦阳4倒很平、，且，为由md

17、t均宿尸JKO 68 14.0dB 57ldB 13 6dB k4?5 2llmV 131 dB J2.5dB 叫ll.9dB 62.?dB K伫S01 204mV 51.6dB k丘450 。“咛228mV4l dB k4 22 2PR点低几分贝的噪声负载电平下“实际的ADC由于1!l:流或交流非线做而偏离理论:tPR筒，E虽然NPR峰低产您在低输入噪商时2平处（均n版图单向等于1/4v. 士V。为ADC输入4应用自）, (!H量，陆最向f商号的宽4悟性质会对ADC产生影响，因此，NPR测试有助于ADC的动态性能测囊团嗣态响应现Hil:测试根阁洲议根则几日自8,4. 6. 2 测试服理瞬！.

18、！响应是当ADC加上h波减半顶脉忡的响版时间（郎时延）E军用e实现本测试装置壁的关键是产生均被割1JADC分辨度相应宽度的早顶脉抑。剧7这一参数在霄达中4, 6 4. 6. I 图中的岗特14 QJ 2614 94 基二三极管平顶脉冲产生挫尽可能接近ADC的模拟输入，肖将基二二极管的反向偷压1!力日到ADC上的信号，对于10j主ADC，其平I距准确度烹少为几纳秒脉I中发生器A B 高速缓冲存恼I数字信号址理器(a) A点电压_ h(b) 自到8网巾A点刑1日点之间的同Z路为附特基二二极管网将”阁中iili徐州A,B网点问咆压的关系D4. 6. 3 测试程序测试时数字信号处顽Jillrnn微机）

19、然制采样时可以获得ADC的平1页脉冲采柿输入，有入高速馁忡存储棍，两处理显示4. 6. 4 测试结果处理分斩测试结果通过多次采样平均，最后显然或打印给呆。在具体测试时，喜喜考虑到采样的时1if（自口子Lt景抖动）4. 7 i立压恢复对诩测试4. 7. I 测试框图测试刊主图I旨J型8,15 QJ 2614 94 4. 7. 2 测试原理过1I通常规定为ADC转换m阁的百分比例如，一个2V输入范问司的ADC,50%的过原相于正常2v输入范阔的土lV，测试时需要设定相威于希攘的过胶条件的平顶脉冲极点盼因此实际的恢复时间矮输入俄号雪在新朋i!JADC输入范阙的时间，4. 7. 3 测试较序根据被测A

20、DC的输入电压范圈，确定希望的过压电压债，直;11;s分比，测试时在被视lADC输入端输入此过底脉冲电压，设定该压的平顶脉冲起点，计算机启动来样时钟，对ADC从i立1I点到输入撮段内的电底值的时Mi进行采样，从而测出过!Ji恢复时间“4. 7. 4 测试纺果分析勾瞬态响应i9!Jl式类似，进行多次采样平均，谈搂分析问样地fJ!采样的时延16 A 1 数据长度自力影响QJ 2614 94 附亵A键盘E份电厅补充件）在非相干采样测试中，采用较大的采样次散即大的数据长Ill可使泄漏原缩在3:瓣！可用司，取M=256、则基波泄漏ff缩1E主瓣附近20个旬内自128个频i曾分簇的16%.若阪M皿1024

21、,s分tt降为20/512，即为4%圄A2 分析带宽的影响信号从中心f;!漏lll旁瓣钮，即才豆瓣基设限量泄漏到其他许多频率包中从而不可能实现精确的锁i晋测量量。因为泛法区别包含真实信号信息的频率包均包含U最简筒，包、的频率包。这就是非相干采样测试（采样次敬不是输入信号周期整敬）必须进行时间加仪的理理由由此也可知，应当注意将阕数的选挣，要防止输入频率为采样频率的藏敬约数，如占在这样，最化曦南阳、巧言便会集中在输入领凉的i蔚波而不是均匀分布农奈袭斯特带宽内￥就也不能得到iE确的i皆波测试络果。在S/N测量主中，为了不使资瓣能鳖守走马人沟的高噪声筒测量。在计算信号电平时，3盖t主两侧的频率包烹少要

22、有10个，主少取21个包的平方和的平方根作为基泼信号电平由我此lR域之外的旁瓣能最便认为是噪声，而且也不会因为旁瓣i世漏明原航影响S/N的测试准确If.例如l恨括前正义公式1，一个8位ADC，其理论最大（S/N），约为Sd日，如在21个包之外的旁瓣能盘比基彼信号电平低68d日，ll为在E理论j之fISdB，因为8攸鳖化噪商蒸底为5DdB.见003. A3 其它注意尊琐il!I i式系统中采用的DAC性能至关直在主要国ll1求。AC的育事态和l动态性能主少为待测ADC的24佼（bit）事3主建立时间不能超过ADC最大采样且在的周期。DAC的输出蝙应有一个限变揣，以消除由于DAC频感突变成网模拟输

23、出不返续而可扭的i皆校“rJ!变掘之后还应邀步：由液，以使DAC的影响降到l辈辈低极If岱可以用拟语分析仪俭验限变撼动态特性对待现lADC的影响，17 B I 对鳝大j简度IE弦波频率的影响王fV(t）且几sin(2ft），贝ljQJ 2614 94 附录B于Li歪抖动的分析（补充件） t!.V ., 儿对于一个20MHzADC，者均方根孔役抖动t，20ps,N=8，按原文公式16计算出f川应为16MHz，说明一个20MHz的ADC可以明确地数字化16MHz的满度iE弦波也实际上巡有其它因絮影响。B 2 对i精度正弦波倚眼比的影响对j高度iE主披f盲目单tt的影响见附Bl.3仪等；在孔份抖动凶素时的f宙间单比(Si N）201g r一_1I伽2)2j 手尊次考虑一个8位20MHzADC，者均方根孔役抖动为2。”对于个8MHz满度输入，用上式计算，仅由孔衍树动号忍的俯噪比为60dB。从式1,8佼ADC由于激化曦荫的理论fgrn她比为50dB，组合上述两个信曦比值，1导州包含上两种。她F韧的现论f首喋bl:为49.6dB, 18 QJ 2614 94 现桔S/N 输入锢惑的SIN筒。挝、协45 40 。5 IO 栩时睛脏的输入正强植咆！(dBJ 19 因Bl附加说明：本标准阳中网航夭工业总公司七。八所楼内本标准由中网航天工业总公司二oc兰所负责想幕本标准察也辜人：董样英。