比較ADC的孔徑延遲
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
這里介紹一種可重復(fù)的測試方法，應(yīng)用捕獲的快速付立葉變換(FFT)數(shù)據(jù)確定DUT和控制單元之間的孔徑延遲匹配情況。該方法需要共享同一采樣時鐘和輸入信號源的兩塊評估板，計算機(jī)利用兩塊同步數(shù)據(jù)采集板對ADC的輸出采樣，使用MathCAD軟件分析采集到的數(shù)據(jù)。
孔徑延遲是指在保持命令發(fā)出之后到ADC采樣保持放大器(SHA)完全打開采樣開關(guān)所需的時間，即ADC采樣發(fā)出命令到采樣實(shí)際開始的時間。有效孔徑延遲時間te 包括孔徑延遲和SHA中模擬、數(shù)字傳輸延遲的影響，其值可正可負(fù)。圖1為有效孔徑延遲時間的示意圖。
孔徑抖動
孔徑抖動(或稱孔徑誤差)是指采樣與采樣之間孔徑延遲時間的變化，起因是調(diào)制系統(tǒng)時鐘相位時的噪聲，通過對內(nèi)部ADC時鐘抖動和外部采樣時鐘抖動進(jìn)行和方根(root-sum-square)計算得到孔徑抖動。如果要求測量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)必須要有極低的相位噪聲。隨著模擬輸入斜率(dV/dt)的增加，孔徑抖動也增大。一般來講，使用輸入頻率為MHz級的ADC時，時鐘抖動應(yīng)為亞皮秒級。圖2是孔徑抖動結(jié)果。
目前的孔徑延遲測量方法
以前，大家熟悉的是用模擬信號源觸發(fā)的時鐘源來測量孔徑延遲，用時鐘源的偏移調(diào)節(jié)功能“移動”采樣時鐘，同時用示波器進(jìn)行觀察。有時需要首先調(diào)節(jié)采樣時鐘，直到ADC的輸出等于中值與偏移量的和(對于12位轉(zhuǎn)換器，中值是十進(jìn)制2048)，然后測量示波器模擬輸入信道50%邊沿和采樣時鐘之間的差值。這種方法非常繁瑣，而且不可重復(fù)，原因是示波器在進(jìn)行亞納秒測量以及人眼對示波器判斷時能力有限。
另外，除非整個測試系統(tǒng)完美匹配，否則反射也會影響測量精確度。探針容易引入額外的誤差和負(fù)載問題，因場效應(yīng)管(FET)對于電路具有較小的容性阻抗，在進(jìn)行此類測量時為首選。多套探針應(yīng)交替使用，并重復(fù)測量以排除由探針造成的誤差。最后一點(diǎn)是觸發(fā)電纜必須是特定長度，依測試設(shè)備、模擬輸入和采樣時鐘頻率而定。
多數(shù)測試平臺在進(jìn)行ADC性能測試時采用計算機(jī)控制的采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使用LabView、Visual Basic或定制的內(nèi)部軟件。在評估ADC的交流特性時，一般使用FFT進(jìn)行頻率分析。
但如果使用MathCAD，就可容易下載FFT數(shù)據(jù)，并提取相位和振幅信息。圖3和下列公式示出如何在時域測量兩路模擬信號的相位q。
q=(td/T)×360° (1)
或 td=(q×T)/ 360° (2)
T是信號周期，td=t1-t2為孔徑延遲。
孔徑延遲新測量方法
下面將要介紹的方法，在得到FFT數(shù)據(jù)中的相位信息后可以計算孔徑延遲。在式(1)中T=1/fa，fa為模擬輸入信號的頻率。將△q代入式(2)，即可得到兩個獨(dú)立ADC的孔徑延遲差值。
需要注意的是，由于孔徑延遲代表采樣時鐘邊沿和模擬輸入實(shí)際被采樣之間的時間差，而ADC內(nèi)部邏輯電路和模擬輸入延遲差值非零，因此孔徑延遲還和模擬輸入信號與轉(zhuǎn)換頻譜之間的相位差有關(guān)。
例如可使用兩個ADC，一個作為基準(zhǔn)，另一作為DUT，將基準(zhǔn)ADC焊接于一個評估板，在另一評估板裝一插槽，以方便隨時插、卸DUT。圖4是具體的測試方案，兩個ADC評估板使用相同的時鐘和信號源。另外匹配電纜和連接器長度都很短，在評估板上，所有采樣時鐘驅(qū)動電路都已被拆掉。數(shù)據(jù)采集板有2n位，與控制器件和DUT相同，注意要將一些數(shù)據(jù)采集線接到一起，以便同時采集數(shù)據(jù)，如何連接依不同系統(tǒng)而變，但對于每一個ADC，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時，都要保證在相同的時鐘邊沿。
軟件界定
在FFT數(shù)據(jù)采集軟件得到兩組數(shù)據(jù)后，MathCAD中的FFT子程序可提供一種簡便的方法對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖5a和圖5b是從控制ADC(A數(shù)據(jù)組)和DUT(B數(shù)據(jù)組)得到的512點(diǎn)FFT結(jié)果。由下式可得到兩個數(shù)據(jù)組的相位差，圖5c是結(jié)果。
△phasej=[(phase_FFT_Aj)-(phase_FFT_Bj)] ×180°/p (3)
從式(2)和(3)可以計算孔徑延遲變化，如式(4)。
Delayj=(△phasej/360°) ×[(max/2-min/2)/(j×Encode_rate/2)]
(4)
圖5d是兩個數(shù)據(jù)組之間逐點(diǎn)的延遲展示，但我們的目的是基本的測試頻率。圖5e是展寬的基頻峰值曲線，從中可以看出峰值點(diǎn)位于474，把該值應(yīng)用到圖5d或式(４)得到孔徑延遲差值為136.5ps。
結(jié)果
圖6是5個部件的孔徑延遲隨電源和溫度的變化情況，在此測試中包括了一個12位、65Msample/s的ADC。+5V的模擬電源和+3.3V的數(shù)字電源在偏離其標(biāo)稱值±5%范圍內(nèi)變化，溫度變化范圍是-10～+70℃，隨電源和溫度變化的最大差值是140ps。
上述方法準(zhǔn)確并可重復(fù)，對同一器件、在同等實(shí)驗(yàn)條件下采集得到的數(shù)據(jù)誤差在±3ps。由于每次測試DUT都需要掉電并再插入插槽，上述誤差可能是寄生觸點(diǎn)造成的。本實(shí)驗(yàn)中曾嘗試延長FFT以減小誤差，但效果并不理想。
這里介紹的方法可適于多種應(yīng)用，如I/Q調(diào)制、同時更新存儲緩沖(simultaneous-update-memory-buffering)和相控陣天線等，這些應(yīng)用都涉及多個通道，需要對兩個或兩個以上ADC進(jìn)行跟蹤比較?！?BR> 
圖1有效孔徑延遲時間示意圖
圖2孔徑抖動結(jié)果
圖3 在時域測量的兩路信號相位差示意圖
圖4 孔徑延遲測量方案示意圖
圖5 MathCAD子程序?qū)刂艫DC和DUT的比較a)FFT的幅值b)相位；c) 相位差；d) 孔徑延遲；e)基頻峰值。
圖6 5個部件的孔徑延遲隨電源和溫度的變化曲線
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