模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱(chēng)ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。它廣泛地應(yīng)用在信號(hào)采集和處理、通信、自動(dòng)檢測(cè)和多媒體技術(shù)等領(lǐng)域。本文介紹AD靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試方法。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)

靜態(tài)參數(shù)的定義

圖1，差分非線(xiàn)性DNL定義為實(shí)際轉(zhuǎn)移的臺(tái)階電壓與理想臺(tái)階之差。

式中，N為轉(zhuǎn)換器位數(shù)，D為轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字碼，VD為輸出數(shù)字碼D對(duì)應(yīng)的最小輸入電壓，VLSB-IDEAL為理想情況下使AD的輸出變化一位的最小輸入電壓。通常（1）式中的最大值被定義為整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分非線(xiàn)性誤差，即：

積分非線(xiàn)性INL：定義為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)與理想轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的偏差，公式表達(dá)為：

失調(diào)：

增益誤差：定義為V2N-1與理想值的偏差，

動(dòng)態(tài)參數(shù)的定義

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)參數(shù)的定義如表1所示。

測(cè)試原理

靜態(tài)參數(shù)的測(cè)試原理

模數(shù)轉(zhuǎn)換的靜態(tài)測(cè)試通常有兩種方法——斜波電壓測(cè)試和碼密度測(cè)試［2～4］（柱狀圖測(cè)試）。

斜波電壓測(cè)試是在AD輸入端加一緩變的斜波，直接記錄AD的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，再利用（1）～（6）式計(jì)算AD的靜態(tài)參數(shù)。這是以前比較傳統(tǒng)的方案，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，但是有一些不足：

（1）引入其它誤差。由于緩變的斜波是通過(guò)一個(gè)數(shù)字電壓計(jì)（DVM）產(chǎn)生，盡管這個(gè)數(shù)字電壓計(jì)可以做的很精密，噪聲很小，但還是會(huì)給電路中引入DAC誤差，因此16bit以上的ADC很少能用該方法測(cè)試。

（2）精度有限。DVM和測(cè)量ADC輸入轉(zhuǎn)折電壓的數(shù)字電壓表的精度制約測(cè)試方案的精度。

（3）效率低。由于要依次測(cè)出每個(gè)數(shù)字碼對(duì)應(yīng)的輸入電壓，因此測(cè)一個(gè)AD需要很長(zhǎng)時(shí)間，所以該方案只適合小規(guī)模和中等精度ADC的測(cè)試。

碼密度測(cè)試是在AD的輸入端加一幅度略大于AD輸入范圍的低頻正弦信號(hào)，采集輸出數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)數(shù)字碼的出現(xiàn)次數(shù)N（i），通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算可以得到AD的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)，即數(shù)字輸出碼i對(duì)應(yīng)的輸入電壓

最后由將（7）式代入（1）～（6）式確定NL、DNL等。

該方案注意以下幾點(diǎn)：

（1）輸入信號(hào)幅度略大于AD輸入范圍。因?yàn)榭紤]到實(shí)際中存在失調(diào)，所以只有輸入信號(hào)大于滿(mǎn)量程才能保證全0和全1的數(shù)字碼都能出現(xiàn)，而且還能減小誤差的主要來(lái)源——正弦峰值附近的誤差。過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓滿(mǎn)足：

式中：δ=噪聲功率的均方根，B=誤差容限。

（2）輸入信號(hào)的頻率與數(shù)據(jù)采集儀的采樣頻率成互質(zhì)關(guān)系，這樣才能符合統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)分布性。

（3）采樣的總點(diǎn)數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足公式（9）：

式中：Nt=采樣點(diǎn)數(shù)，n=AD精度α=NL、DNL，所需精確度60

由于碼密度測(cè)試精度高，速度快，所需儀器簡(jiǎn)便，故采用該方法測(cè)試靜態(tài)特性。

動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試原理

測(cè)量模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)參數(shù)的方法是快速傅立葉分析。輸入加正弦信號(hào)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)做快速傅立葉變換（FFT），得到輸出頻域功率譜，依次用表1中的公式計(jì)算各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。

該方法需注意三點(diǎn)：

（1）正弦信號(hào)頻率與采樣頻率必須互質(zhì);

（2）采樣點(diǎn)數(shù)必須為2的整數(shù)次冪，且采樣點(diǎn)恰好覆蓋整數(shù)個(gè)周期，否則會(huì)引起頻譜泄漏;

（3）為了減小頻譜泄漏的影響，采樣數(shù)據(jù)加窗，可選擇blackman、hamming、hanning窗等。本方案最終選擇blackman窗。

測(cè)試流程圖

圖2是測(cè)試的流程圖。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)，儀器選用AgilentE4436B，它輸出的信號(hào)頻率范圍為0～50kHz和250k～3GHz，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器濾波，濾波器選用集成芯片MAX274，再經(jīng)過(guò)單雙端轉(zhuǎn)換電路得到差分信號(hào)，轉(zhuǎn)換電路選用集成芯片AD8138，模數(shù)轉(zhuǎn)換器TH0307將差分信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入邏輯分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，邏輯分析儀選用Agilent16702，最后用MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)，計(jì)算得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。時(shí)鐘發(fā)生器選用HP8116A，它可以產(chǎn)生最高50MHz的時(shí)鐘，參考電壓通過(guò)一些集成芯片產(chǎn)生。