高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的參數(shù)定義和描述如表1所示,。
表1 動(dòng)態(tài)參數(shù)定義
| 動(dòng)態(tài)參數(shù) | 描 述 |
| 信噪比（SNR） | SNRdB=6.02 N+1.763 |
| 信號(hào)與噪聲+失真之比（SINAD） | SINADdB=20 log10(ASIGNAL[rms]/ANOISE[rms]) |
| 有效位數(shù)（ENOB） | ENOB=(SINAD-1.763)/6.02 |
| 總諧波失調(diào)（THD） | THDdBc=20 log10(√(VHD·2 2+VHD·3 2+VHD·N 2)/V[fIN] |
| 無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR） | SFDE是信號(hào)基波幅度的有效值與最大諧 波分量的效值之比,以db為單位 |
| 雙音互調(diào)失真（TTIMD） | TTIMDdb=20log10{∑(AIMF-SUM[rms]+AIMF-DIFF[RMS]/AFUNDAMENTAL[rms]} |
| 多音互調(diào)失真（MTIMD） | MTIMDdB=20 log10{∑(AIMF-SUM[rms]+AIMF-DIFF[rms]/AFUNDAMENTAL[rms]輸入包含多個(gè)頻率成份 |
| 電壓駐波比（VSWR） | VSWR（1+‖ρ‖）/（1+‖ρ‖）,ρ—反射系數(shù) |
測(cè)試方案中的線路板布局和硬件需求
為合理測(cè)試高速ADC的動(dòng)態(tài)參數(shù),最好選用制造商預(yù)先裝配好的電路板,或是參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的線路板布局布板,高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的布板需要高速電路的設(shè)計(jì)技巧,通常應(yīng)遵守以下基本規(guī)則：
· 所有的旁路電容盡可能靠近器件安裝,最好和ADC在同一層面,采用表面貼裝元件使引線最短,減小寄生電感和電容,。
· 模擬電源,、數(shù)字電源,、基準(zhǔn)電源和輸入公共端采用兩個(gè)0.1MF的陶瓷電容和一個(gè)2.2M(F雙極性電容并聯(lián)對(duì)地旁路,。
· 采用具有獨(dú)立的地平面和電源平面的多層電路板,保證信號(hào)的完整性,。
· 采用獨(dú)立的接地平面時(shí)應(yīng)考慮ADC模擬地和數(shù)字地的物理位置。兩個(gè)地平面之間的阻抗要盡可能低,二者間的交流和直流電壓差低于0.3V以避免器件的損壞和死鎖,。模擬地與數(shù)字地應(yīng)單點(diǎn)連接,可以用低阻值表貼電阻（1Ω~5Ω）,、鐵氧體磁珠連接或直接短路,避免充滿噪聲的數(shù)字地電流對(duì)模擬地的干擾。
·如果模擬地與數(shù)字地充分隔離時(shí),也可以將所有的接地引腳置于同一平面,。
·高速數(shù)字信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬信號(hào)線,。
· 所有的信號(hào)線應(yīng)盡可能短,而且無90(拐角。
· 時(shí)鐘輸入要作為模擬輸入信號(hào)來處理,遠(yuǎn)離任何模擬輸入和數(shù)字信號(hào),。
選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試方案和正確的測(cè)試設(shè)備是獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器最佳參數(shù)的重要環(huán)節(jié),。以下提出的硬件選擇方案對(duì)高速ADC MAX1448的測(cè)試是必需的,也是行之有效的,。
· 直流電源 (Hewlett Packard E3620A, 雙電源 0-25V, 0-1A): 為模擬和數(shù)字電路提供獨(dú)立的供電電源,。每個(gè)電源必須能夠提供100mA 的驅(qū)動(dòng)電流.
·時(shí)鐘信號(hào)函數(shù)發(fā)生器 (Hewlett-Packard HP8662A): 被測(cè)器件的時(shí)鐘輸入端接受兼容于CMOS電平的時(shí)鐘信號(hào)。由于MAX1448內(nèi)部采用十級(jí)流水線結(jié)構(gòu),、級(jí)間轉(zhuǎn)換依賴于外部時(shí)鐘上升沿和下降沿的可重復(fù)性,所以需用一個(gè)低抖動(dòng),、快速上升/下降的外部時(shí)鐘信號(hào)。尤其是本轉(zhuǎn)換器的采樣出現(xiàn)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿,應(yīng)確保下降沿的抖動(dòng)最小,?？讖蕉秳?dòng)限制了ADC的SNR性能：
SNRdB = 20·log10 (1 / 2π·fIN·TAj)
式中fIN 為模擬輸入頻率,tAJ 為孔徑抖動(dòng)時(shí)間。欠采樣應(yīng)用中對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)要求更嚴(yán)格,。
· 輸入信號(hào)函數(shù)發(fā)生器 (Hewlett-Packard HP8662A):
為保證正常工作,兩個(gè)函數(shù)發(fā)生器（時(shí)鐘與輸入信號(hào)）必須是相位鎖定的,。
· 邏輯分析儀- (Hewlett-Packard HP16500C):
根據(jù)FFT所需的采樣點(diǎn)選擇邏輯分析儀,如HP1663C具有不到4k的數(shù)據(jù)記錄容量,可以用于本測(cè)試中。
· 模擬帶通濾波器(TTE 橢圓函數(shù)帶通濾波器 Q56 系列):
截止頻率：7.5MHz, 20MHz, 40MHz 和 50MHz
· 數(shù)字萬用表 (DMM): 用于檢查基準(zhǔn),、電源和共模電壓,。
· 被測(cè)器件的評(píng)估板
采用源自電路板的外部時(shí)鐘信號(hào)同步邏輯分析儀,并在時(shí)鐘的上升沿鎖相。采集數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集板上,、通過邏輯分析儀的HPIB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,也可以存儲(chǔ)在邏輯分析儀的硬盤或軟盤中,。
接著要考慮的是選擇合適的軟件工具。下列軟件工具被選擇用于數(shù)據(jù)的采集和分析：
* LabWindows/CVI：在邏輯分析儀和數(shù)據(jù)采集板之間建立通訊鏈路并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。
* MATLAB：用于對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT和動(dòng)態(tài)參數(shù)分析的軟件工具,源程序可由Maxim中文網(wǎng)站獲得（www.maxim-ic.com.cn）,。
用于測(cè)試的總體電路框圖如圖一所示。
功率譜,、頻率分辨率,、頻譜泄漏與窗函數(shù)
在分析和測(cè)定所采集的數(shù)據(jù)記錄時(shí),快速傅立葉變換（FFT）和功率譜是非常有用的工具。借助這些工具能夠有效地采集時(shí)域信號(hào),、測(cè)定其頻譜成分,、并對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。
功率譜圖（參考抽樣程序）在頻率軸（x軸）上的頻率范圍和分辨率取決于采樣速率和數(shù)據(jù)記錄的長度（采樣點(diǎn)數(shù)）。功率譜圖上的頻率點(diǎn)數(shù)或譜線數(shù)為N/2 ,N是信號(hào)采樣記錄中包含的點(diǎn)數(shù),。所有的頻點(diǎn)間隔為fSAMPLE/N ,通常稱之為頻率分辨率或FFT 分辨率：
Bin = fSAMPLE/N = 1 / (N · (tSAMPLE)
頻譜泄漏和窗函數(shù)
FFT分析中常常要用到窗函數(shù),。在基于FFT的測(cè)量中正確選擇窗函數(shù)非常關(guān)鍵。頻譜泄漏是由FFT算法中的假設(shè)造成的,FFT算法中假設(shè)離散時(shí)間序列可以精確地在整個(gè)時(shí)域進(jìn)行周期延拓,所有包含該離散時(shí)間序列的信號(hào)為周期函數(shù),周期與時(shí)間序列的長度相關(guān),。然而如果時(shí)間序列的長度不是信號(hào)周期的整數(shù)倍(fIN/fSAMPLE ( NWINDOW/NRECORD) ,假設(shè)條件即不成立,就會(huì)發(fā)生頻譜泄漏,。絕大多數(shù)情況下所處理的是一個(gè)未知的平穩(wěn)信號(hào),不能保證采樣點(diǎn)數(shù)為周期的整數(shù)倍。頻譜泄漏使給定頻率分量的能量泄漏到相鄰的頻率點(diǎn),從而在測(cè)量結(jié)果中引入誤差,。選擇合適的窗函數(shù)可以減小頻譜泄漏效應(yīng),。
為進(jìn)一步了解窗函數(shù)對(duì)頻譜的影響,我們考察一下窗函數(shù)的頻率特性。輸入數(shù)據(jù)通過一個(gè)窗函數(shù)相當(dāng)于原始數(shù)據(jù)的頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積,。窗函數(shù)的頻譜由一個(gè)主瓣和幾個(gè)旁瓣組成,主瓣以時(shí)域信號(hào)的每個(gè)頻率成份為中心,。旁瓣在主瓣的兩側(cè)以一定的間隔衰減至零。FFT產(chǎn)生離散的頻譜,出現(xiàn)在FFT每個(gè)譜線的是在每個(gè)譜線上的連續(xù)卷積頻譜,。如果原始信號(hào)的頻譜成份與FFT中的譜線完全一致,這種情況下采樣數(shù)據(jù)的長度為信號(hào)周期的整數(shù)倍,頻譜中只有主瓣,。沒有出現(xiàn)旁瓣的原因是旁瓣正處在窗函數(shù)主瓣兩側(cè)采樣頻率間隔處的零分量點(diǎn)。如果時(shí)間序列的長度不是周期的整數(shù)倍,窗函數(shù)的連續(xù)頻譜將偏離主瓣的中心,頻率偏移量對(duì)應(yīng)著信號(hào)頻率和FFT頻率分辨率的差異,這個(gè)偏移導(dǎo)致了頻譜中出現(xiàn)旁瓣,所以,窗函數(shù)的旁瓣特性直接影響著各頻譜分量向相鄰頻譜的泄漏寬度,。
窗函數(shù)特性
為簡(jiǎn)化窗函數(shù)的選擇,有必要定義一些參數(shù)以便對(duì)不同的窗進(jìn)行比較,。這些參數(shù)有：-3dB主瓣帶寬、-6dB主瓣帶寬,、旁瓣峰值,、旁瓣衰減速度(表二)。
表二 常用的窗函數(shù)特性參數(shù)
| 窗類型 | -3dB 主瓣寬度 | -6dB 主瓣寬度 | 旁瓣峰值 | 旁瓣衰減速度 |
| 矩形窗 | 0.89 bin | 1.21 bin | -13dB |
20dB/十倍頻程 6dB/八倍頻程 |
| 漢寧窗（HANNING） | 1.44 bin | 2.00 bin | -32dB |
60dB/十倍頻程 18dB/八倍頻程 |
| 哈明窗（HAMMING） | 1.30 bin | 1.81 bin | -43dB |
20dB/十倍頻程 6dB/八倍頻倍 |
| 平頂窗（FLAT TOP） | 2.94 bin | 3.56 bin | -44dB |
20dB/十倍頻程 6dB/八倍頻程 |
每種窗函數(shù)有其自身的特性,不同的窗函數(shù)適用于不同的應(yīng)用,。要選擇正確的窗函數(shù),必須先估計(jì)信號(hào)的頻譜成份,。如若信號(hào)中有許多遠(yuǎn)離被測(cè)頻率的強(qiáng)干擾頻率分量,應(yīng)選擇旁瓣衰減速度較快的窗函數(shù);如果強(qiáng)干擾頻率分量緊鄰被測(cè)頻率時(shí),應(yīng)選擇旁瓣峰值較小的窗函數(shù);如果被測(cè)信號(hào)含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的頻率成份,應(yīng)選用主瓣很窄的窗函數(shù);如果是單一頻率信號(hào),且要求幅度精度較高,則推薦用寬主瓣的窗函數(shù)。對(duì)頻帶較寬或含有多個(gè)頻率成份的信號(hào)則采用連續(xù)采樣,。絕大多數(shù)應(yīng)用采用漢寧（Hanning）窗即可得到滿意的結(jié)果,因?yàn)樗哂休^好的頻率分辨率和抑制頻譜泄漏的能力,。
動(dòng)態(tài)參數(shù)： SNR、 SINAD,、 THD,、SFDR與TTIMD
參照上述內(nèi)容,由FFT可利用MATLAB軟件計(jì)算出功率譜、頻譜泄漏,、窗函數(shù),、SNR、SINAD,、THD,、SFDR：
SNR=10*log10(Ps/Pn)
SINAD=10*log10(Ps/(Pn+Pd))
THD=10*log10(Pd/Ph(1))
SFDR=10*log10(Ph(1)/max(Ph(2:10)))
其中：Ps——信號(hào)功率、Pn——噪聲功率,、Pd——由二到五次諧波引起的失調(diào)功率,、Ph(1)——諧波功率（基波）,、Ph(2:10)——二到九次諧波功率。
表三 信號(hào)頻譜與窗函數(shù)的選擇
| 窗類型 | 信號(hào)類型 | 窗特性 |
| 矩形窗（UNIFORM） |
寬帶隨機(jī) 分段逼近正弦波 |
主瓣窄,、旁瓣衰減速度低,、頻率分辨率較低 |
| 漢寧窗（HANNING） |
窄帶隨機(jī)信號(hào) 信號(hào)頻譜未知 正弦波或正弦信號(hào)的組合 |
瓣幅峰值較大、頻率分辨率高,、可減小泄漏,、旁瓣衰減速度快 |
| 哈明窗（HAMMING） | 分段逼近正弦波 | 頻譜分辨率高、主瓣窄 |
| 平頂窗（FLAT TOP） | 要求較高幅度精度的正弦波 | 幅度精度較高,、主瓣較寬,、頻率分辨率低、頻譜泄漏大 |
雙音互調(diào)（TTIMD）的測(cè)量非常巧妙,通過功率合成器將兩個(gè)輸入頻率相組合產(chǎn)生互調(diào)成份,用于模擬ADC的互調(diào)失真,。選擇輸入頻率時(shí)必須考慮以下條件去優(yōu)化互調(diào)性能：選擇輸入濾波器通帶以內(nèi)的頻率;如果選擇的兩個(gè)輸入頻率非常接近時(shí),還必須選擇正確的窗函數(shù),。然而如果頻率靠得太近,功率合成器會(huì)模擬二次和三次互調(diào)產(chǎn)生的全部互調(diào)分量;兩個(gè)輸入頻率相差太大時(shí)可能需要選用頻率分辨率較低的窗函數(shù)。
結(jié)論
在從高速ADC中捕獲信號(hào)并進(jìn)行分析從而確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能時(shí),需要考慮許多因素,。理解基于FFT測(cè)量的基本知識(shí)和相關(guān)的計(jì)算,、頻譜泄漏效應(yīng),了解如何借助適當(dāng)?shù)臏y(cè)試設(shè)備避免頻譜泄漏,掌握布線技巧就能成功地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。