高速模數轉換器的轉換誤差率解密

1、高速模數轉換器的轉換誤差率解密高速模數轉換器()存在一些固有限制，使其間或會在其正常功能以外產生罕見的轉換錯誤。但是，無數實際采樣系統(tǒng)不容許存在高adc轉換誤差率。因此，量化高速模數轉換誤差率(cer)的頻率和幅度十分重要。高速或gsps adc(每秒千兆采樣adc)相對稀疏浮現的轉換錯誤不僅造成其難以檢測，而且還使測量過程十分耗時。該持續(xù)時光通常超出毫秒范圍，達到幾小時、幾天、幾周甚至是幾個月。為了協(xié)助消減這一耗時測試負擔，可以在一定“置信度”確實定性狀況下估算誤差率，而仍然保持結果的質量。誤碼率(ber)與轉換誤差率與串行或并行數字數據傳輸中ber的數字等效值類似，cer是轉換錯誤數與樣本

2、總數之比。但是，ber和cer之間有一些迥然不同之處。數字數據流中的ber測試采納長偽隨機序列，該序列可于發(fā)送器中在傳輸兩端用法常用種子值來啟動。接收器預期將收到抱負的傳輸。通過觀看接收數據與抱負數據的差異，便可精確計算出ber。兩端之間偽隨機序列數據中的失配(基于種子值)即視為誤碼。與cer不同，誤差測定不像純數字比較那么容易。因為adc轉換過程中始終具有小的非線性，另外還存在系統(tǒng)噪聲和顫動，因此并非總是能確定預期數據和實際數據之間確實切差異。相反，需要建立誤差閾值，用于確定轉換錯誤和具有容許預期噪聲的樣本之間的界限。這與數字ber不同，并不會對發(fā)送和接收的預期數據舉行確切比較。相反，首先必

3、需量化樣本的誤差幅度，然后再確定是轉換錯誤，還是在轉換器和系統(tǒng)的預期非線性范圍內。adc后端數字接口的誤碼率必需低于轉換器的內核cer，因此無法忽略。假如并非如此，那么數據輸出傳輸誤差將籠罩cer并成為主要誤差來源。亞穩(wěn)態(tài)高速adc中造成轉換錯誤的一個常見緣由是一種稱為亞穩(wěn)態(tài)的現象。高速adc在將模擬信號轉換為數字值的轉換過程中，往往會在不同階段用法多個梯級。假如比較器無法確定模擬輸入是高于還是低于其參考點時，就會產生可能導致浮現錯誤代碼的亞穩(wěn)態(tài)結果。當兩個比較器的輸入之差幅度十分小或為零時，就可能發(fā)生這種狀況，此時無法舉行正確比較。因為此錯誤值會沿著流水線傳揚，因此adc可能產生重大的轉換錯

4、誤。當差分模擬輸入為相對較大的正當或負值時，比較器可以迅速計算出差值并給出明確打算。當差分值很小或為零時，比較器做出打算所需的持續(xù)時光會長無數。假如在此打算點之前比較器輸出鎖存，則將產生亞穩(wěn)態(tài)結果。有些設計計劃可以減輕這個問題。首先，將比較器的不確定范圍設計的十分小，迫使比較器在可能的最大模擬輸入條件范圍內做出精確打算。但是，這可能造勝利率和設計尺寸增強。其次種辦法是盡量延遲比較器采樣時光，給模擬輸入最長的時光建立至已知的比較器輸出值。但這種辦法存在多個限制，由于延遲最長也只能持續(xù)到當前采樣時光結束，而后比較器必需繼續(xù)處理下一次采樣。第三種辦法是采納智能錯誤檢測和校正算法，該算法會對照較器在高

5、速adc轉換過程后續(xù)階段中引入的不確定性舉行數字補償。當比較器未能在最大允許時光內做出打算時，規(guī)律可檢測到該缺失。然后，此信息可被附加到相關樣本上，以便將來舉行內部調節(jié)。識別出此警報時，可用法后處理步驟在樣本從轉換器輸出前訂正該錯誤。這可以從圖1中的ad9625看出，它是公司的一款12位、2.5gsps adc。圖1：可在ad9625的模數轉換過程內識別比較器的不確定性。在后續(xù)步驟中執(zhí)行校正指令以校正樣本，然后再從轉換器輸出。置信度cer置信度(cl)是指在不精確到特定故障率的狀況下對將來錯誤的外推預期。這可削減針對給定cer獵取的樣本總數，但代價是不能保證100%確實定性。從數學角度來說，要

6、達到肯定100%確實定性，需要取得無限持續(xù)時光內的樣本。因此，按照行業(yè)閱歷，95%的置信度已經相當臨近已知值，并且實現了不確定性和測量時光之間的平衡。假如將測試重復一百次，則有95次可以精確識別誤碼率。有時工程師會誤認為一旦在測試期間檢測到誤差，該過程就會結束并找到終于的cer。這既不精確也不完整。無論過程中是否有誤差，轉換誤差率及相關的置信度都可以測試。但是，假如在給定置信度下檢測到誤差，則與沒有錯誤時的樣本數相比，必需增強測量的樣本數量。以上公式給出了置信度、誤碼率和樣本數之間的自然對數數學關系表達式。式中：n為測量的樣本數；cer為轉換誤碼率；cl為置信度；e為檢測到的錯誤數。未檢測到誤

7、差時，公式有所簡化，右邊的項等于零，結果僅取決于左邊的項。當cl為95%且未檢測到誤差時，所需的樣本數僅約為預期cer的倒數乘以3。測量到100%置信度，即對于任何cer值都有cl=1.0，從數學角度上需要獵取-ln(0)無窮大的無限樣本數(n)。誤差閾值高速adc中的轉換誤差幅度很關鍵，有些誤差比其他誤差更重要。例如，一個或兩個最低有效位(lsb)誤差可能在系統(tǒng)的預期噪底之內，甚至可能不會影響瞬時性能。但是，最高有效位(msb)誤差，乃至滿量程誤差可能造成系統(tǒng)故障大事。因此，cer測試需要具有一種機制或閾值來確定轉換中誤差的嚴峻程度。轉換的誤差閾值應當包括adc的已知線性不足，以準時鐘顫動和

8、其他超出轉換器功能的系統(tǒng)噪聲。對于任何給定樣本，這些通常會累加為14位adc的4或5個最低有效位(lsb)或1632個代碼。按照adc辨別率、系統(tǒng)性能和應用的誤碼率要求，該值的大小可能略有不同。用法此誤差帶與抱負值舉行比較后，超出此限值的樣本將被視為轉換錯誤。在傳統(tǒng)視頻adc中，此錯誤被稱為“閃碼”，由于它會在視頻屏幕上產生亮白色像素閃耀?？山邮艿霓D換器誤碼率很大程度上取決于信號處理系統(tǒng)和系統(tǒng)誤差容差要求。歷史上測量的gsps adc轉換誤差率普通不會低于1e-14。1e-15的誤差率意味著轉換器在1e15個樣本范圍內不應浮現轉換錯誤。雖然這些數字看起來很大，但憑借當今先進轉換器技術的高采樣速

9、率，對于cer測試仍然可以實現。但是，對于具有8ns采樣速率的125msps轉換器，1e15次采樣將占用800,000s(1e15*8ns)，也即9.24天。要在這些誤碼率中實現95%的cl，則需要分離將這些采樣持續(xù)時光的均乘以2.996。cer測試圖2給出了如何測試內部adc 內核的cer。在或臨近adc最大編碼速率下采樣時，可用法頻率相對較慢的正弦波作為模擬輸入。應對模擬輸入信號舉行規(guī)劃，以便在忽略系統(tǒng)噪聲的狀況下，兩個相鄰樣本之間的預期肯定差不大于1lsb代碼。抱負狀況下，模擬輸入信號比滿量程稍大，以便運用adc的全部代碼。應計算模擬輸入和編碼采樣速率，以便建立較長的全都性周期，而adc

10、不在同一代碼級別舉行全都采樣。圖2：cer測試的兩種采樣情形。頂部的情形是以比fs/2稍快的速率對模擬信號舉行采樣，其中僅每隔一個樣本比較一次。抱負狀況下，兩個延續(xù)樣本的不同之處不超過一個lsb代碼。下面的情形是對相對較慢的模擬輸入舉行過采樣，以便兩個相鄰樣本的不同之處也不超過一個lsb代碼。圖3：cer測試比較兩個延續(xù)adc樣本和預定誤差閾值。計數器記錄錯誤發(fā)生次數、幅值和采樣位置標識符。系統(tǒng)用法一個計數器來跟蹤兩個相鄰樣本之間的幅度差值超過閾值限值的狀況，并將這種狀況計數為轉換錯誤。該計數器必需保留囫圇測試過程中錯誤的累加總數。為了保證系統(tǒng)按預期工作，還應記錄誤差幅度與抱負狀況之間的關系。測試需要的時光將基于采樣速率、所需的測試cer和所需的置信度(圖3)。小結典型轉換器架構可實現一些系統(tǒng)可接