模数转换器评估：与标准有关系吗？

我们乘坐的航班刚刚开始下降高度，这时坐在我旁边的一位先生转过头来和我聊起工程学——他看到我在阅读一本工程学期刊。这位邻座的先生说，他是电气与电子工程师协会 (IEEE) 会员，而他原来的志向就是希望能够成为某个标准委员会的一员。我问他正致力于哪种标准的制定工作—它与电站安全有关。直到飞机在航站楼前停下来，我们才结束了对话，然后分道扬镳。讨论间，我谈到标准非常重要，并以我所在行业的角度告诉他，我是多么吃惊的感到直到2000年我们才有了一个IEEE标准，才能对模数转换器 (ADC) 的规范和测试方法进行定义。这一点值得我们注意，因为至少在 20 世纪 20 年代模数转换便为人们所熟知，而商用 ADC 的出现却是在 20 世纪 60 年代^[1]。数十年以来，ADC 制造商们都在对这些设备的规范进行定义，并完全独立地各自对这些规范进行测试。自然而然地，形成了一些关于如何测试的“标准”，但仍然没有由实体标准机构发布的标准指导原则。第一次真正的 ADC 标准制定工作开始于 1980 年，最终发布了 IEEE1057 ^[2]标准，也即后来的 IEEE1241 ^[3]。IEEE1241 专门针对 ADC 器件本身，其与一整套的数据采集或者记录系统完全不同。IEEE1241-2000 是第一种真正为 ADC 组件制造厂商制定的标准；该标准于 2010 年更新。图1理想的ADC 传输函数均匀排列各个转移点（宽度刚好为一个最低有效位LSB）ADC 评估的主要任务便是确定其传输函数。理想情况下，一个转换器有一个同图1所示类似的传输函数。图1 显示了一个三位转换器的传输函数。在理想的转换器中，每码宽度完全相同，并且可以画一条直线穿过每个代码“高原”的中点。实际上，却并非总是这样—由于实际传输函数不同于理想情况，因此确定转移点和代码宽度对ADC测试和特性描述至关重要。为了寻找到真正的传输函数，IEEE标准建议使用几个可能的测试步骤和方法。一种方法是利用复杂的伺服环路系统，其要求数模转换器 (DAC) 拥有比受测 ADC 更高的分辨率。另一种方法是使用一个正弦波振荡器，但必须具有比受测 ADC 预计信噪失真比 (SINAD) 高至少 20dB 的总谐波失真和噪声 (THD+N)。例如，一个理想的 16 位 ADC 拥有 98 dB 的信噪比 (SNR) 且没有失真（毕竟它是理想情况）--那么 SINAD 就为 98dB。要想对该 ADC 进行测试，要求使用一个 –118dB 以上 THD+N 的振荡器。当你观察高分辨率 ADC时，如果正弦波发生器无法单独完成任务，则其可能会要求使用滤波来获得纯光谱信号。找到这种高分辨率 DAC 或者纯光谱振荡器，并且制造出所需的复杂测试设备，对于广大 ADC 制造厂商而言，他们都愿意这样做，而且一般也都具备这样的能力。这些仪器中的一些十分昂贵，但如果你的业务就是制造 ADC，那么这些投资都是值得的。但是对于那些正在从事 ADC 系统设计的个人而言，他们如何来完成 ADC 的评估和测试工作呢？许多人会转而使用制造厂商提供的评估板和工具套件（图 2）来进行测试。利用这些系统，我们可以很容易地通过一条USB连接线把受测 ADC 连接到计算机，然后使用软件采集数据，最后对其进行分析。图2ADC 制造厂商提供的评估板和工具套件（例如：TI ADS1281EVM-PDK 等）通常都有完整的数据采集系统，但缺少信号源。所提供软件通常执行的是类似于IEEE标准的测试。一些人想使用评估套件得到如 ADC 产品说明书规范所示的相同结果，却并非每次都能如愿，特别是使用高分辨率转换器时，因为要求的正弦波发生器可能会不可用。尽管使用评估板及其软件，常常可以得到一些有意义的结果，但也要小心谨慎。评估硬件和分析软件一般工作在一种术语称作“块模式”的模式下。在这种模式下，先收集一批固定数量的采样，将其发送给软件，然后软件对该数据块或者数据记录进行分析。我们对大多数 IEEE 标准测试进行了定义，这样它们便可以处理这些数据块。问题是，IEEE1241 中列出的测试真能帮你对系统的ADC 适用性进行评估吗？如果你相信它能，那么除了在器件产品说明书中所看到的内容，你还能得到什么呢？许多人认为，除看到实际运行的器件外，评估板还介绍参考设计和布局，可为你在实际系统中使用它提供指导。尽管如此，对于一些人而言，IEEE1241测试却并非是他们所需要的。根据不同的ADC 类型，一些人会喜欢把评估板和软件用作数字示波器或者图形记录器，持续地产生数据流，这与逐块数据传输不同。我接触过的一些客户努力想知道长期稳定性或者漂移性能，他们有时会要求连续数小时甚至几天在硬盘上记录数据。尽管更多的还是由 IEEE1057 对这些应用进行规范，但没有哪一种标准探讨长期漂移或者稳定性测试。大多数制造厂商的评估板和软件都不会支持这类应用或者测试。ADC 组件制造厂商应该启用其评估板和软件来产生数据流和数据块采集，并开启其它功能来进行 ADC 相关标准中没有规范的测试吗？对 ADC 制造厂商而言，标准绝对有关系。但作为使用这些 ADC 的电路设计人员，ADC 制造厂商使用的相同标准对你可能并没有多大用处。在进行 ADC 评估时，你会想到哪些标准呢？我会在后续文章中与读者们一起分享。参考文献《数据转换手册》中《数据转换器历史》，作者：Walt Kester，刊发于《模拟器件》（2005年Newnes出版社）《波形记录器数字化IEEE标准》，IEEE1057-1994《模数转换器术语与测试方法IEEE标准》，IEEE1241-2000《ADS1281性能开发套件 (PDK)》，刊发于2011 年 5 月TI SBAU143C

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