模數轉換器評估：與標準有關(guān)系嗎？

我們乘坐的航班剛剛開(kāi)始下降高度，這時(shí)坐在我旁邊的一位先生轉過(guò)頭來(lái)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(shuō)，他是電氣與電子工程師協(xié)會(huì ) (IEEE) 會(huì )員，而他原來(lái)的志向就是希望能夠成為某個(gè)標準委員會(huì )的一員。我問(wèn)他正致力于哪種標準的制定工作—它與電站安全有關(guān)。直到飛機在航站樓前停下來(lái)，我們才結束了對話(huà)，然后分道揚鑣。討論間，我談到標準非常重要，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標準，才能對模數轉換器 (ADC) 的規范和測試方法進(jìn)行定義。

這一點(diǎn)值得我們注意，因為至少在20世紀20年代模數轉換便為人們所熟知，而商用ADC的出現卻是在20世紀60年代[1]。數十年以來(lái)，ADC制造商們都在對這些設備的規范進(jìn)行定義，并完全獨立地各自對這些規范進(jìn)行測試。自然而然地，形成了一些關(guān)于如何測試的“標準”，但仍然沒(méi)有由實(shí)體標準機構發(fā)布的標準指導原則。

第一次真正的ADC標準制定工作開(kāi)始于1980年，最終發(fā)布了IEEE1057 [2]標準，也即后來(lái)的 IEEE1241 [3]。IEEE1241專(zhuān)門(mén)針對ADC器件本身，其與一整套的數據采集或者記錄系統完全不同。IEEE1241-2000是第一種真正為ADC組件制造廠(chǎng)商制定的標準；該標準于2010年更新。

ADC評估的主要任務(wù)便是確定其傳輸函數。理想情況下，一個(gè)轉換器有一個(gè)同圖1所示類(lèi)似的傳輸函數。圖1顯示了一個(gè)三位轉換器的傳輸函數。在理想的轉換器中，每碼寬度完全相同，并且可以畫(huà)一條直線(xiàn)穿過(guò)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)際傳輸函數不同于理想情況，因此確定轉移點(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，IEEE標準建議使用幾個(gè)可能的測試步驟和方法。一種方法是利用復雜的伺服環(huán)路系統，其要求數模轉換器 (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 預計信噪失真比 (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(méi)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。當你觀(guān)察高分辨率 ADC 時(shí)，如果正弦波發(fā)生器無(wú)法單獨完成任務(wù)，則其可能會(huì )要求使用濾波來(lái)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雜測試設備，對于廣大ADC制造廠(chǎng)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系統設計的個(gè)人而言，他們如何來(lái)完成ADC的評估和測試工作呢？

許多人會(huì )轉而使用制造廠(chǎng)商提供的評估板和工具套件來(lái)進(jìn)行測試。利用這些系統，我們可以很容易地通過(guò)一條USB連接線(xiàn)把受測ADC連接到計算機，然后使用軟件采集數據，最后對其進(jìn)行分析。

一些人想使用評估套件得到如ADC產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規范所示的相同結果，卻并非每次都能如愿，特別是使用高分辨率轉換器時(shí)，因為要求的正弦波發(fā)生器可能會(huì )不可用。盡管使用評估板及其軟件，常?？梢缘玫揭恍┯幸饬x的結果，但也要小心謹慎。

評估硬件和分析軟件一般工作在一種術(shù)語(yǔ)稱(chēng)作“塊模式”的模式下。在這種模式下，先收集一批固定數量的采樣，將其發(fā)送給軟件，然后軟件對該數據塊或者數據記錄進(jìn)行分析。我們對大多數IEEE標準測試進(jìn)行了定義，這樣它們便可以處理這些數據塊。

問(wèn)題是，IEEE1241中列出的測試真能幫你對系統的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(shuō)明書(shū)中所看到的內容，你還能得到什么呢？許多人認為，除看到實(shí)際運行的器件外，評估板還介紹參考設計和布局，可為你在實(shí)際系統中使用它提供指導。

盡管如此，對于一些人而言，IEEE1241測試卻并非是他們所需要的。根據不同的ADC類(lèi)型，一些人會(huì )喜歡把評估板和軟件用作數字示波器或者圖形記錄器，持續地產(chǎn)生數據流，這與逐塊數據傳輸不同。我接觸過(guò)的一些客戶(hù)努力想知道長(cháng)期穩定性或者漂移性能，他們有時(shí)會(huì )要求連續數小時(shí)甚至幾天在硬盤(pán)上記錄數據。盡管更多的還是由 IEEE1057 對這些應用進(jìn)行規范，但沒(méi)有哪一種標準探討長(cháng)期漂移或者穩定性測試。

大多數制造廠(chǎng)商的評估板和軟件都不會(huì )支持這類(lèi)應用或者測試。ADC組件制造廠(chǎng)商應該啟用其評估板和軟件來(lái)產(chǎn)生數據流和數據塊采集，并開(kāi)啟其它功能來(lái)進(jìn)行ADC相關(guān)標準中沒(méi)有規范的測試嗎？

對ADC制造廠(chǎng)商而言，標準絕對有關(guān)系。但作為使用這些ADC的電路設計人員，ADC制造廠(chǎng)商使用的相同標準對你可能并沒(méi)有多大用處。在進(jìn)行ADC評估時(shí)，你會(huì )想到哪些標準呢？我會(huì )在后續文章中與讀者們一起分享。