标签: 模数转换器

​在现代电子系统中，模数转换器（A/D转换器）作为模拟信号与数字信号之间的关键桥梁，其性能直接影响系统的精度、速度和可靠性。为了深入理解A/D转换器的性能表现，工程师需要掌握一系列关键特性参数，包括静态指标（如线性度、偏移误差、增益误差）和动态指标（如信噪比、谐波失真、动态范围）。 这些参数不仅决定了转换器的基本精度，还影响着系统在高频、高速或高精度应用中的表现。 本文系统性地整理了A/D转换器的核心特性术语，从孔径延迟、抖动等时序参数，到微分非线性（DNL）、积分非线性（INL）等线性度指标，再到信噪比（SNR）、总谐波失真（THD）等动态性能参数，逐一解析其定义、测试方法及对实际应用的影响。 1、孔径延迟 时钟有效边沿之后，到输入信号被采集或保持以进行转换的时间。 2、孔径抖动 要开始突发测量，请从菜单栏中选择“burst”。 3、（转换）延迟或流水线延迟 启动一次转换到第一个转换数据出现在输出端之间的时钟周期数。每个采样数据在流水线延迟加上采样后的输出延迟后可用。 4、转换时间 完成一次转换所需的时间。转换时间不包括采集时间、多路复用器的设置时间或其他元件时间，因此转换时间可能小于 “吞吐时间”。 5、端点线与最佳拟合线 ● 端点线： 连接第一个和最后一个转换点的直线，仅使用首尾两点计算参考线，端点误差图的首尾点始终为零。 ● 最佳拟合线： 使用所有转换点，通过最小二乘法线性回归拟合的直线，使误差分布对称，更能反映整体线性度。 6、直流共模误差 差分输入模数转换的指标，指两个输入端施加相同电压时输出码的变化。 7、微分增益误差 当施加给定幅度的高频正弦波时，不同直流输入电平下输出电平的差异（以 % 表示）。 8、微分非线性误差（DNL/DNLE） 实际模拟输入信号对应码增量的1LSB台阶与理想1LSB台阶的最大偏差。 ● 意义： 静态指标，与动态指标信噪比（SNR）相关。DNL偏离零越大，SNR可能越差，但无法直接通过DNL预测噪声性能。 9、微分相位误差 两个不同直流输入电平下，重构的小信号正弦波输出相位的差异。 10、满量程误差 最后一个转换点与理想转换点的误差，等于增益误差与偏移误差之和。 11、增益误差 满量程误差减去偏移误差，反映参考线（端点或最佳拟合线）斜率与理想传输特性斜率的偏差。 计算公式：(N−1)/a−(N−1)，其中N为转换点数，a为参考线斜率。 12、积分非线性误差（INL/INLE） 传输特性与参考线（端点线或最佳拟合线）的偏离，不包含量化误差、偏移误差和增益误差，是衡量传输函数直线度的指标，可能大于微分非线性误差。 ● 意义： 静态指标，与动态指标总谐波失真（THD）相关。INL偏离零越大，THD可能越差，但无法直接通过INL预测失真性能。 13、丢失码 理想情况下应出现的输出码在实际转换中未出现的现象。 14、非单调性 输入电压单调增加时，输出码非单调变化的现象（如码值先增后减）。 15、偏移误差 第一个转换点与理想转换点的误差（端点计算）。对于最佳拟合线，偏移误差为最佳拟合参考线与理想传输线的偏移量。 16、量化误差 模数转换器输出在1LSB范围内保持不变，导致输入电压在台阶内变化时产生的误差。 ●范围：理想情况下为0到1LSB；若采用半LSB偏移，误差范围为−1/2LSB 到+1/2LSB。 17、信噪失真比（SINAD） 信号（或载波）功率与采样频率一半以下所有其他频谱分量（不含直流）功率的比值。 18、信噪比（SNR） 输出信号幅度与输出噪声电平（不含谐波和直流）的比值。 ● 影响因素： a.量化噪声：分辨率越高，LSB越小，量化噪声越低； b.转换器自身噪声； c.应用电路噪声； d.抖动：高频下抖动影响增大，导致 SNR 下降。 ● 理论公式： 全量程正弦波输入时，SNR=20×log(2n−1×6)≈6.02n+1.76dB（n为分辨率）。 19、无杂散动态范围（SFDR） 信号功率与频谱中最高杂散信号功率的分贝差。 20、总谐波失真（THD） 信号（或载波）功率与谐波频谱分量（载波倍数频率）功率的比值，TS-ATX7006默认计算7次谐波（可调整）。 21、总未调整误差（TUE） 包含线性度误差、增益误差和偏移误差的综合指标，反映与理想器件性能的最坏情况偏差。 ​

来源：德思特测量测试 德思特分享丨一文带你了解ADC测试参数有哪些？ 一文带你了解ADC测试参数有哪些 模数转换器（ADC）是数字电子系统中重要组成部分，用于捕获外部世界的模拟信号，如声音、图像、温度、压力等，并将它们转化为数字信号0\1, 以供计算机进行处理分析。ADC芯片在出厂交付之前，需要对产品的性能做各种测试，尤其对于要求可靠性和安全性较高的行业，诸如航空航天、医用医疗、汽车电子等应用领域，都需要对ADC芯片做严苛的性能测试验证。 ADC测试参数主要包括静态参数和动态参数。 静态参数主要表示ADC实际测量的输出曲线和理想输出曲线的关系，而动态参数着重分析ADC的频谱特性。 1 静态测试常见参数 DNL：对于给定的输入范围，ADC输出之间的步进量误差，用于衡量实际输出码和理想输出码的差距。 INL：积分非线性，整个输入范围内的非线性误差，即真实与理想情况下码宽误差的累计。 Offset：积分非线性，整个输入范围内的非线性误差，即真实与理想情况下码宽误差的累计。 Gain：增益误差。输出全是1时，对应的实际电压和理想电压之差。 TUE：在考虑所有误差来源的情况下，评估转换器的整体性能。 Missing code：输出范围中未被转换器所表示的编码值。 图1. ADC静态参数测试 2 动态测试常见参数 THD：总谐波失真，转换过程中非线性引起的谐波失真。 SNR：信噪比，输出信号与内部噪声之比。 SFDR：无杂散动态范围，就是基频信号不存在额外杂散分量的最大范围。 ENOB：实际有效位数。在噪声和失真存在的情况下，ADC实际可达到的位数。 图2. ADC动态参数测试 3 德思特ADC测试解决方案 图3. 德思特ADC测试台架ATX7006A 目前针对ADC芯片的性能测试，表现出朝着高采样率、高精度等性能参数测试的发展趋势。 德思特提供完整的ADC测试解决方案，能够测试8-24位的ADC芯片，功能测试涵盖几乎所有典型的性能参数测试（包括静态参数测试和动态参数测试）。 我们采用紧凑型模块化集成的ATE测试硬件台架，配套专用的测试分析软件ATView和WaveAnalyzer，给您提供ADC测试交钥匙解决方案。 德思特ADC测试平台特点 ✓ 完全集成的ADC测试解决方案 ✓ 采样频率高达200/400 MHz ✓ 无与伦比的信号发生质量和精度 ✓ 支持所有线性/动态测试 ✓ 灵活和通用的数字IO ✓ 扩展分析软件ATView\WaveAnalyzer ✓ 静态、直方图测试 ✓ 易于用户自定义的测试脚本 图4. 德思特ADC测试系统架构 图5. 德思特ADC测试配套软件ATView 7006

ADC/DAC（Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Converter，即模数转换器/数模转换器）是大多数系统中必不可少的组成部件，用于将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，或者将离散的数字信号转换成连续的模拟信号，它们是连接模电电路和数字电路必不可少的桥梁。在很多场合下，ADC/DAC 的转换速度甚至直接决定了整个系统的运行速度。 本篇博文为各位分享一种高速ADC和DAC转换电路。高速ADC选用芯片为：AD9280/3PA9280（两款芯片兼容），高速DAC选用芯片为：AD9708/3PD9708E（两款芯片兼容）。 高速ADC转换电路 AD9280 是 ADI 公司生产的一款单芯片、8 位、32MSPS（Million Samples Per Second，每秒采样百万次）模数转换器，具有高性能、低功耗的特点。 AD9280 的内部功能框图如下图所示： AD9280 在时钟（CLK）的驱动下工作，用于控制所有内部转换的周期；AD9280 内置片内采样保持放大器（SHA），同时采用多级差分流水线架构，保证了 32MSPS 的数据转换速率下全温度范围内无失码；AD9280 内部集成了可编程的基准源，根据系统需要也可以选择外部高精度基准满足系统的要求。 AD9280 输出的数据以二进制格式表示，当输入的模拟电压超出量程时，会拉高 OTR（out-of-range）信号；当输入的模拟电压在量程范围内时，OTR 信号为低电平，因此可以通过 OTR 信号来判断输入的模拟电压是否在测量范围内。 AD9280 的时序图如下图所示： 模拟信号转换成数字信号并不是当前周期就能转换完成，从采集模拟信号开始到输出数据需要经过 3 个时钟周期。比如上图中在时钟 CLK 的上升沿沿采集的模拟电压信号 S1，经过 3 个时钟周期后（实际上再加上 25ns 的时间延时），输出转换后的数据 DATA1。需要注意的是，AD9280 芯片的最大转换速度是32MSPS，即输入的时钟最大频率为 32MHz。 AD9280 支持输入的模拟电压范围是 0V 至 2V，0V 对应输出的数字信号为 0，2V 对应输出的数字信号为 255。而 AD9708 经外部电路后，输出的电压范围是-5V~+5V，因此在 AD9280 的模拟输入端增加电压衰减电路，使-5V~+5V 之间的电压转换成 0V 至 2V 之间。那么实际上对我们用户使用来说，当 AD9280 的模拟输入接口连接-5V 电压时，AD 输出的数据为 0；当 AD9280 的模拟输入接口连接+5V 电压时，AD 输出的数据为 255。 当 AD9280 模拟输入端接-5V 至+5V 之间变化的正弦波电压信号时，其转换后的数据也是成正弦波波形变化，转换波形如下图所示： 输入的模拟电压范围在-5V 至 5V 之间，按照正弦波波形变化，最终得到的数据也是按照正弦波波形变化。 高速ADC转换电路设计思路如下所示： 高速ADC转换电路设计如下所示： 图中输入的模拟信号 SMA_IN（VI）经过衰减电路后得到 AD_IN2（VO）信号，两个模拟电压信号之间的关系是 VO=VI/5+1，即当 VI=5V 时，VO=2V；VI=-5V 时，VO=0V。 高速DAC转换电路 AD9708 是 ADI 公司（Analog Devices，Inc.，亚德诺半导体技术有限公司）生产的 TxDAC 系列数模转换器，具有高性能、低功耗的特点。AD9708 的数模转换位数为 8 位，最大转换速度为 125MSPS（每秒采样百万次 Million Samples per Second）。 AD9708 的内部功能框图如下图所示： AD9708 在时钟（CLOCK）的驱动下工作，内部集成了+1.2V 参考电压(+1.20V REF)、运算放大器、电流源（CURRENT SOURCE ARRAY）和锁存器（LATCHES）。两个电流输出端 IOUTA 和 IOUTB 为一对差分电流，当输入数据为 0（DB7~DB0）时，IOUTA 的输出电流为 0，而 IOUTB 的输出电流达到最大，最大值的大小跟参考电压有关；当输入数据全为高点平（DB7~DB0=8’hff）时，IOUTA 的输出电流达到最大，最大值的大小跟参考电压有关，而 IOUTB 的输出电流为 0。AD9708 必须在时钟的驱动下才能把数据写入片内的锁存器中，其触发方式为上升沿触发，AD9708 的时序图如下图所示： 上图中的 DBO-DB7 和 CLOCK 是 AD9708 的 8 位输入数据和为输入时钟，IOUTA 和 IOUTB 为AD9708 输出的电流信号。由上图可知，数据在时钟的上升沿锁存，因此我们可以在时钟的下降沿发送数据。需要注意的是，CLOCK 的时钟频率越快，AD9708 的数模转换速度越快，AD9708 的时钟频率最快为125Mhz。 IOUTA 和 IOUTB 为 AD9708 输出的一对差分电流信号，通过外部电路低通滤波器与运放电路输出模拟电压信号，电压范围是-5V 至+5V 之间。当输入数据等于 0 时，AD9708 输出的电压值为 5V；当输入数据等于 255时，AD9708 输出的电压值为-5V。 AD9708 是一款数字信号转模拟信号的器件，内部没有集成 DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字 式频率合成器）的功能，但是可以通过控制 AD9708 的输入数据，使其模拟 DDS 的功能。例如，我们使用AD9708 输出一个正弦波模拟电压信号，那么我们只需要将 AD9708 的输入数据按照正弦波的波形变化即可，下图为 AD9708 的输入数据和输出电压值按照正弦波变化的波形图。 由上图可知，数据在 0 至 255 之间按照正弦波的波形变化，最终得到的电压也会按照正弦波波形变化，当输入数据重复按照正弦波的波形数据变化时，那么 AD9708 就可以持续不断的输出正弦波的模拟电压波形。需要注意的是，最终得到的 AD9708 的输出电压变化范围由其外部电路决定的，当输入数据为 0 时，AD9708 输出+5V 的电压；当输入数据为 255 时，AD9708 输出-5V 的电压。 由此可以看出，只要输入的数据控制的得当，AD9708 可以输出任意波形的模拟电压信号，包括正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。 高速DAC转换电路设计思路如下所示： 高速DAC转换电路设计如下所示： 图中输出的一对差分电流信号先经过滤波器，再经过运放电路得到一个单端的模拟电压信号。图中右侧的 W1 为滑动变阻器，可以调节输出的电压范围，推荐通过调节滑动变阻器，使输出的电压范围在-5V 至+5V 之间，从而达到 AD 转换芯片的最大转换范围。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。

MS9280 是单芯片、单电源、10bit、50MSPS 模数转换器；内部集成了采样保持放大器和电源基准源。完美替代AD9280。 MS9280 使用多级差分流水线架构保证了 50MSPS 数据 转换数率下全温度范围内无失码。 MS9280 的输入适合图像视频和通信系统应用； 用户可以根据实际需要选择单端输入或者差分输入， 也可根据需要选择输入范围和消除失调。 MS9280 内部集成的采样保持放大器，既适合复用系统又适合开关全波电压范围的连续信道，采样单信道输入频率可以超过奈奎斯特频率。交流耦合输入可以借助内部的钳位电路移位到一定的固定电平，动态性能非常完好。 MS9280 内部集成了可编程基准源。根据系统需要也可以选择外部高精度基准满足系统精度的要求。 单时钟输入控制内部的转换周期；数字输出二进制的数据信息。超出量化范围检测位信息表征了输入信号超过了最小和最大量化范围的信息。 MS9280 可工作在 2.7V~5.5V 单电源范围，适合高速低功耗的应用范围。 MS9280 适合工业温度范围（－40℃～+85℃）。 芯片特色 10 bit 50 MSPS 流水线 ADC 低功耗：90mV （3V 电源下） 宽工作范围：＋2.7～＋5.5V 高线性度：DNL：0.2LSB 低功耗模式控制 三态门输出 量化范围检测 内建钳位功能 高精度可编程基准电源 中频亚采样高达 135MHZ 可提供样品测试，FAE技术支持，完美替代AD9280，样品申请欢迎留言或私信

MS5175 是一款高精度，可连续转换的 模数转换器 ，4 组单端输入通道，高达 16bits 的转换精度。内部集成的 2.048V 基准。使用了 I²C 兼容接口。电源范围为 2.7V 到 5.5V。转换速率为 15、30、60 或 240SPS，集成可编程增益放大器。在单次转换模式中，MS5175 在转换结束后会关闭转换，减小了在空闲状态功耗。MS5175 用在需要高精度测量典型应用如：手持式仪器、工业流程控制和智能变送器。 主要特点 4 组单端输入通道 I²C 接口，8 个可编程地址 片上基准：2.048V±0.5%,温度漂移：10ppm/℃ 内部集成 PGA：1 到 8 倍 16 位无失码精度 INL(积分非线性误差)：0.01% 工作电压范围：2.7V 到 5.5V 低电源功耗：290uA 应用 手持仪器 工业级控制 智能变送器 工业自动化 温度测量