模數(shù)轉(zhuǎn)換器評估：與標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)系嗎？

　　我們乘坐的航班剛剛開始下降高度，這時(shí)坐在我旁邊的一位先生轉(zhuǎn)過頭來和我聊起工程學(xué)——他看到我在閱讀一本工程學(xué)期刊。這位鄰座的先生說，他是電氣與電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 會(huì)員，而他原來的志向就是希望能夠成為某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的一員。我問他正致力于哪種標(biāo)準(zhǔn)的制定工作—它與電站安全有關(guān)。直到飛機(jī)在航站樓前停下來，我們才結(jié)束了對話，然后分道揚(yáng)鑣。討論間，我談到標(biāo)準(zhǔn)非常重要，并以我所在行業(yè)的角度告訴他，我是多么吃驚的感到直到2000年我們才有了一個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，才能對模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的規(guī)范和測試方法進(jìn)行定義。

　　這一點(diǎn)值得我們注意，因?yàn)橹辽僭?20 世紀(jì) 20 年代模數(shù)轉(zhuǎn)換便為人們所熟知，而商用 ADC 的出現(xiàn)卻是在 20 世紀(jì) 60 年代[1]。數(shù)十年以來，ADC 制造商們都在對這些設(shè)備的規(guī)范進(jìn)行定義，并完全獨(dú)立地各自對這些規(guī)范進(jìn)行測試。自然而然地，形成了一些關(guān)于如何測試的“標(biāo)準(zhǔn)”，但仍然沒有由實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)原則。

　　第一次真正的 ADC 標(biāo)準(zhǔn)制定工作開始于 1980 年，最終發(fā)布了 IEEE1057 [2]標(biāo)準(zhǔn)，也即后來的 IEEE1241 [3]。IEEE1241 專門針對 ADC 器件本身，其與一整套的數(shù)據(jù)采集或者記錄系統(tǒng)完全不同。IEEE1241-2000 是第一種真正為 ADC 組件制造廠商制定的標(biāo)準(zhǔn);該標(biāo)準(zhǔn)于 2010 年更新。

　　圖 1 理想的 ADC 傳輸函數(shù)均勻排列各個(gè)轉(zhuǎn)移點(diǎn)

　　(寬度剛好為一個(gè)最低有效位LSB)

　　ADC 評估的主要任務(wù)便是確定其傳輸函數(shù)。理想情況下，一個(gè)轉(zhuǎn)換器有一個(gè)同圖1所示類似的傳輸函數(shù)。圖 1 顯示了一個(gè)三位轉(zhuǎn)換器的傳輸函數(shù)。在理想的轉(zhuǎn)換器中，每碼寬度完全相同，并且可以畫一條直線穿過每個(gè)代碼“高原”的中點(diǎn)。實(shí)際上，卻并非總是這樣—由于實(shí)際傳輸函數(shù)不同于理想情況，因此確定轉(zhuǎn)移點(diǎn)和代碼寬度對ADC測試和特性描述至關(guān)重要。

　　為了尋找到真正的傳輸函數(shù)，IEEE標(biāo)準(zhǔn)建議使用幾個(gè)可能的測試步驟和方法。一種方法是利用復(fù)雜的伺服環(huán)路系統(tǒng)，其要求數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 擁有比受測 ADC 更高的分辨率。另一種方法是使用一個(gè)正弦波振蕩器，但必須具有比受測 ADC 預(yù)計(jì)信噪失真比 (SINAD) 高至少 20dB 的總諧波失真和噪聲 (THD+N)。例如，一個(gè)理想的 16 位 ADC 擁有 98 dB 的信噪比 (SNR) 且沒有失真(畢竟它是理想情況)--那么 SINAD 就為 98dB。要想對該 ADC 進(jìn)行測試，要求使用一個(gè) –118dB 以上 THD+N 的振蕩器。當(dāng)你觀察高分辨率 ADC 時(shí)，如果正弦波發(fā)生器無法單獨(dú)完成任務(wù)，則其可能會(huì)要求使用濾波來獲得純光譜信號。

　　找到這種高分辨率 DAC 或者純光譜振蕩器，并且制造出所需的復(fù)雜測試設(shè)備，對于廣大 ADC 制造廠商而言，他們都愿意這樣做，而且一般也都具備這樣的能力。這些儀器中的一些十分昂貴，但如果你的業(yè)務(wù)就是制造 ADC，那么這些投資都是值得的。但是對于那些正在從事 ADC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的個(gè)人而言，他們?nèi)绾蝸硗瓿?ADC 的評估和測試工作呢?

　　許多人會(huì)轉(zhuǎn)而使用制造廠商提供的評估板和工具套件(圖 2)來進(jìn)行測試。利用這些系統(tǒng)，我們可以很容易地通過一條USB連接線把受測 ADC 連接到計(jì)算機(jī)，然后使用軟件采集數(shù)據(jù)，最后對其進(jìn)行分析。

　　圖 2 ADC 制造廠商提供的評估板和工具套件(例如：TI ADS1281EVM-PDK 等)通常都有完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但缺少信號源。所提供軟件通常執(zhí)行的是類似于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的測試。

　　一些人想使用評估套件得到如 ADC 產(chǎn)品說明書規(guī)范所示的相同結(jié)果，卻并非每次都能如愿，特別是使用高分辨率轉(zhuǎn)換器時(shí)，因?yàn)橐蟮恼也òl(fā)生器可能會(huì)不可用。盡管使用評估板及其軟件，常常可以得到一些有意義的結(jié)果，但也要小心謹(jǐn)慎。

　　評估硬件和分析軟件一般工作在一種術(shù)語稱作“塊模式”的模式下。在這種模式下，先收集一批固定數(shù)量的采樣，將其發(fā)送給軟件，然后軟件對該數(shù)據(jù)塊或者數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析。我們對大多數(shù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)測試進(jìn)行了定義，這樣它們便可以處理這些數(shù)據(jù)塊。

　　問題是，IEEE1241 中列出的測試真能幫你對系統(tǒng)的ADC 適用性進(jìn)行評估嗎?如果你相信它能，那么除了在器件產(chǎn)品說明書中所看到的內(nèi)容，你還能得到什么呢?許多人認(rèn)為，除看到實(shí)際運(yùn)行的器件外，評估板還介紹參考設(shè)計(jì)和布局，可為你在實(shí)際系統(tǒng)中使用它提供指導(dǎo)。

　　盡管如此，對于一些人而言，IEEE1241測試卻并非是他們所需要的。根據(jù)不同的ADC 類型，一些人會(huì)喜歡把評估板和軟件用作數(shù)字示波器或者圖形記錄器，持續(xù)地產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，這與逐塊數(shù)據(jù)傳輸不同。我接觸過的一些客戶努力想知道長期穩(wěn)定性或者漂移性能，他們有時(shí)會(huì)要求連續(xù)數(shù)小時(shí)甚至幾天在硬盤上記錄數(shù)據(jù)。盡管更多的還是由 IEEE1057 對這些應(yīng)用進(jìn)行規(guī)范，但沒有哪一種標(biāo)準(zhǔn)探討長期漂移或者穩(wěn)定性測試。

　　大多數(shù)制造廠商的評估板和軟件都不會(huì)支持這類應(yīng)用或者測試。ADC 組件制造廠商應(yīng)該啟用其評估板和軟件來產(chǎn)生數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)塊采集，并開啟其它功能來進(jìn)行 ADC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)范的測試嗎?

　　對 ADC 制造廠商而言，標(biāo)準(zhǔn)絕對有關(guān)系。但作為使用這些 ADC 的電路設(shè)計(jì)人員，ADC 制造廠商使用的相同標(biāo)準(zhǔn)對你可能并沒有多大用處。在進(jìn)行 ADC 評估時(shí)，你會(huì)想到哪些標(biāo)準(zhǔn)呢?我會(huì)在后續(xù)文章中與讀者們一起分享。