模數轉換器，即Analog-to-Digital Converter，常稱ADC，是指將連續變量的模擬信號轉換為離散的數字信號的器件。大部分現實世界的電信號是模擬信號，ADC構建了模擬世界數字世界的聯系。本文就模數轉換器ADC的分類、技術點、測試方案等方面，為您提供相關技術說明及解決方案。
模數轉換原理
模數轉換器
Analog-to-Digital Converter
ADC的原理：通過采樣、量化以及編碼電路，將輸入的連續模擬信號變換成離散的數字信號。采樣將信號在時間上離散化，量化將信號在幅度上離散化。
▲模數轉換器原理示意圖
ADC芯片追求的主要指標有采樣率和垂直分辨率，采樣率與垂直分辨率受到器件工藝的制約。對應不同的應用場景，ADC通過不同的設計架構實現不同的采樣率及垂直分辨率。
▲不同類型ADC采樣率與比特率關系圖
模數轉換器的關鍵指標
Key Indicators of ADC
ADC不是理想的，并且分辨率有限，因此它們在輸出只能表示有限數量的信息。表示的信息數量為2N個，N為轉換器的位數。
例如，假設選擇一個12位ADC，則它可在輸出端以4096個數字表示施加于轉換器輸入端的任何信號。這些表示信息存在量化誤差。因此，如果12位ADC的輸入滿量程(VFS)為10 Vp-p，那么其理想情況下的LSB大小為2.44 mVp-p，精度為±1.22 mV。
▲ADC量化誤差
ADC的關鍵指標包括：
· 靜態參數：DNL微分非線性、INL積分非線性
· 動態參數：SNR信噪比、ENOB有效位數、THD總諧波失真、SFDR無雜散動態范圍
ADC動靜態參數測試挑戰
隨著數字信號處理技術和數字電路工作速度的提升，以及對于系統靈敏度等要求的不斷提升，對于高速、高精度ADC的指標提出了很高的要求，很多ADC芯片的采樣率都達到了百MSa/s甚至GSa/s以上。這意味著ADC不僅需要良好的靜態性能，而且在比較高的輸入信號頻率時需要有良好的動態特性。
ADC的動靜態性能測試需要借助專業的儀器設備進行檢測，對于研發及制造ADC芯片的廠商以及使用ADC芯片制作高速采集板卡的設計工程師而言，如何驗證芯片在板級或系統級應用時的真正性能指標變得尤為關鍵。
客戶案例
ADC動靜態參數測試
以下是以某公司的4通道14bit垂直分辨率高速ADC為例，對ADC的動靜態核心性能進行驗證測試。基本的辦法是在ADC的輸入端輸入一個理想的正弦信號，然后對ADC轉換后的數據進行采集及FFT頻譜分析以及統計分析，最終得到如DNL微分非線性、INL積分非線性、IMD交調失真、SNR信噪比、ENOB有效比特位數、SFDR無雜散動態范圍及THD總諧波失真等指標。以下是典型的ADC測試方案：
▲典型的ADC測試方案示意圖
以動態性能測試為例，測試ADC芯片的SNDR無雜散動態范圍、THD總諧波失真及ENOB有效比特位數等指標，一般需要通過信號發生器產生純凈的正弦波信號，輸入到ADC中進行采樣，得到的樣本數據經過PC端的數據處理，得到動態頻譜特性，進而得到相關結果：
▲ADC動態特性測試流程
▲ADC動態特性測試頻譜分析及結果
該測試方案的關鍵在于用于輸入ADC芯片或測試板的正弦波足夠純凈，才可確保ADC采集轉換后數據分析結果的真實性。在面對多通道的模數轉換器ADC時，往往需要多路的信號發生器，以往傳統的方案是通過多臺信號信號發生器或使用功分器進行一路轉多路搭建多路的輸入信號。這種方案成本高、集成度低，且搭建測試系統時需要同時對多臺設備進行控制，系統較為復雜。
此外，ADC測試過程中對時鐘頻率和各個輸入信號的頻率比例關系要求非常嚴格，準確合適的頻率可以防止FFT計算時存在頻譜泄露，使測試結果更加準確，這就要求對多路輸入的正弦波信號需要有嚴格的頻率比例關系。
為解決以上測試痛點，RIGOL推出了DSG5000系列多通道微波信號發生器，單臺設備最多可集成8個微波射頻通道，輸出頻率最高可達到20 GHz。DSG5000系列多通道微波信號發生器采用共參考的設計思路，8個微波射頻通道可獨立設置頻率且具備相參特性，可確保輸出多個不同頻率信號間頻率比例關系保持長時間穩定。
DSG5000的多通道輸出可以讓測試系統搭建更加方便靈活，一通道輸出作為ADC時鐘信號，提供非常小的時鐘抖動，發揮ADC的最佳性能；其他通道作為和時鐘信號相參的模擬信號，提供更加靈活的模擬測試向量。并且信號頻率精度可以到0.01 Hz，提供非常精準的模擬參考信號，同時通過計算信號頻率、采樣率和FFT頻點關系調整到沒有頻譜泄露的頻率點，提供更加精準的測量結果。
▲DSG5000系列微波信號發生器簡化多通道ADC測試
通過簡化后的測試系統測試將能夠實現SNR、ENOB、SFDR、THD等測試，同時DSG5000系列的優秀相位噪聲可以準確地測量這些參數。DSG5000系列可以提供多個頻率輸出，實現3階交調(IMD3)、1dB壓縮點(P1dB)測試，此外，該測試系統還能一同測量DNL和INL（碼密度分析）這兩個直流參數，簡化測試方案，提升測試效率；并且可以利用多通道相位可以精細調節的特性，進行片內延遲單元的性能測試。
DSG5000系列微波信號發生器
RIGOL提供的DSG5000系列微波信號發生器及產品組合解決方案可以有效提升多路ADC芯片或采集板卡的集成效率及測試效率。DSG5000系列多通道微波信號發生器不僅可以提供多通道純凈的信號輸入，還可以提供ADC芯片或采集板卡的采樣時鐘，使用戶進行集成開發時所需控制的儀器設備大幅減少。
