模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有效位數(shù)超差分析

孫愛(ài)中,張琬珍,張斌峰

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西 西安710065)

摘要在某彈載計(jì)算機(jī)的測(cè)試驗(yàn)證中,部分模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)有效位數(shù)超差現(xiàn)象。通過(guò)故障樹(shù)分析法對(duì)影響因素逐一進(jìn)行分析,確定為正弦波信號(hào)頻率對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有效位數(shù)的影響,通過(guò)理論分析和對(duì)算法的仿真驗(yàn)證,準(zhǔn)確定位了故障,通過(guò)修改采樣時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)和調(diào)整輸入信號(hào)的供給,解決了有效位數(shù)測(cè)試超差問(wèn)題。

關(guān)鍵詞A/D轉(zhuǎn)換電路;有效位數(shù);信號(hào)源頻率;信噪失真比;快速傅里葉變換

收稿日期:2015-03-10

作者簡(jiǎn)介:孫愛(ài)中(1981—),男,工程師。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用。E-mail:sunnyaz@126.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.016

中圖分類號(hào)TN407

Tolerance of Effective Number of Bits in Analog Conversion Systems

SUN Aizhong,ZHANG Wanzhen,ZHANG Binfeng

(Xi’an Research Institute of Computing Techniques,AVIC,Xi’an 710065,China)

AbstractENOB-data out of size are found in part of module’s ADC circuit in the testing of some missile-borne computer.The fault tree analysis is made of the affecting factors one by one,and it is found that the signal source frequency plays an important role in ADC circuits.The fault position is accurately located by theoretical analysis and algorithm simulation.The problem is solved by redesigning clock circuit and changing the input of the signal.

KeywordsADC circuit;ENOB;signal source frequency;SINAD;FFT

隨著ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器在軟件無(wú)線電中的廣泛應(yīng)用,ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)也變得越來(lái)越重要。評(píng)價(jià)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)之一是A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)。一般來(lái)說(shuō),ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多,其動(dòng)態(tài)范圍就越高。但由于ADC本身的量化噪聲及由其微分非線性和積分非線性誤差所帶來(lái)的噪聲和諧波、采樣時(shí)鐘抖動(dòng)引入的噪聲、系統(tǒng)的熱噪聲、印刷電路板內(nèi)信號(hào)之間串?dāng)_帶來(lái)的噪聲等,ADC的實(shí)際轉(zhuǎn)換位數(shù)與理想轉(zhuǎn)換位數(shù)有差別。因此確定ADC的實(shí)際有效位對(duì)精確評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能就顯得尤為重要。

1故障現(xiàn)象

某彈載計(jì)算機(jī)采用式(1)作為ADC的實(shí)際有效位數(shù)(ENOB)計(jì)算公式,該公式基于標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸入

ENOB=(SINAD-1.76)/6.02

(1)

計(jì)算機(jī)的差分運(yùn)放電路前端加入頻率為100 kHz,幅值為2.5 V的正弦波,用10 M的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(8 192個(gè)數(shù)據(jù)),DSP對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT,計(jì)算出信號(hào)能量、噪聲能量和SINAD值,并最終計(jì)算出A/D的有效位數(shù)。

在使用新生產(chǎn)的某批次的彈載計(jì)算機(jī)模塊過(guò)程中,做高速A/D采集電路測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了多個(gè)模塊的ENOB測(cè)試參數(shù)超差,小于規(guī)定值,后對(duì)所用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多次測(cè)試,發(fā)現(xiàn)部分模塊ENOB測(cè)試值會(huì)有偶發(fā)性超差。

2故障定位過(guò)程

針對(duì)該情況,建立了可能引起A/D采集異常的故障樹(shù)如圖1所示。

圖1　A/D電路采集異常故障樹(shù)

2.1　運(yùn)放電路排查

運(yùn)放電路是數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸入信號(hào)的通路,在電路上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的比例運(yùn)算,運(yùn)放電路故障會(huì)造成A/D芯片的輸入信號(hào)異常,進(jìn)而會(huì)影響ENOB超標(biāo)[1]。通過(guò)示波器測(cè)量超差計(jì)算機(jī)A/D芯片的輸入波形頻率、幅值均正常,可排除運(yùn)放電路損壞的原因。

2.2　A/D供電電路排查

超差計(jì)算機(jī)AD9240芯片的供電有數(shù)字5 V、3.3 V以及模擬5 V電壓,供電電壓異常會(huì)造成A/D芯片工作不正常,通過(guò)萬(wàn)用表對(duì)板上電壓的測(cè)量發(fā)現(xiàn)電壓正常,可排除電壓異常原因。

2.3　A/D采樣時(shí)鐘排查

ENOB的運(yùn)算與A/D采樣時(shí)鐘電路有著密切的關(guān)系,時(shí)鐘電路元器件損壞或受到干擾都會(huì)造成采樣時(shí)鐘異常,進(jìn)而影響采樣點(diǎn)的位置,采樣位置會(huì)影響ENOB的運(yùn)算結(jié)果[2]。通過(guò)示波器觀察A/D芯片采樣時(shí)鐘的輸出、占空比、頻率、幅度等信號(hào),并未觀察到此類現(xiàn)象,可排除時(shí)鐘電路元器件損壞[3]。在排查時(shí)鐘電路干擾因素時(shí)發(fā)現(xiàn)晶振底部所墊墊片較小,晶振下部離印制板較近,從而會(huì)引入印刷電路板內(nèi)信號(hào)干擾噪聲。將晶振下部墊片更改,將小墊片改為大墊片,測(cè)試結(jié)果明顯改善,由理論分析以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可確定晶振下部墊片尺寸是造成ENOB指標(biāo)較小的原因之一[4]。

2.4　測(cè)試環(huán)境差異排查

將測(cè)試不穩(wěn)定的模塊用設(shè)計(jì)階段使用的電纜測(cè)試方法(連接方式如圖2所示,電纜測(cè)試方法是外部信號(hào)源和直流電源通過(guò)電纜給彈載計(jì)算機(jī)供信號(hào)和直流電,彈載計(jì)算機(jī)完成運(yùn)算后測(cè)試結(jié)果通過(guò)仿真器在PC機(jī)顯示)進(jìn)行測(cè)試所得的ENOB數(shù)據(jù)明顯比在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(連接方式如圖3所示,自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的測(cè)試方法是通過(guò)PC機(jī)控制信號(hào)源和電源給計(jì)算機(jī)提供輸入待采集模擬信號(hào)和直流供電,計(jì)算機(jī)完成運(yùn)算后將ENOB的運(yùn)算結(jié)果返回PC機(jī)顯示)上測(cè)得的數(shù)據(jù)偏大,可得出測(cè)試環(huán)境差異較大的結(jié)論。通過(guò)更換電纜測(cè)試使用的設(shè)備與自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的部件,可進(jìn)一步確定信號(hào)源是造成測(cè)試結(jié)果差異較大的根本原因[5]。用頻譜儀觀測(cè)信號(hào)能量峰值,安捷倫公司的信號(hào)源對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為100.000 1 kHz,泰克信號(hào)源對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為99.999 8 kHz,兩者相差0.3 Hz。從設(shè)計(jì)上排查,計(jì)算機(jī)ENOB測(cè)試所用的測(cè)試方法采用相干采樣后對(duì)采樣數(shù)值直接進(jìn)行FFT運(yùn)算結(jié)果,此種測(cè)試算法對(duì)輸入信號(hào)頻率與采樣信號(hào)的頻率匹配要求很高,微小的頻率差異就會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的較大變化[6-10]。由此分析及數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可判定,信號(hào)源頻率誤差是造成在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備上測(cè)試結(jié)果普遍偏小的原因。

圖2　電纜測(cè)試方法測(cè)試ENOB

圖3　自動(dòng)測(cè)試設(shè)備測(cè)試ENOB

綜上所述,導(dǎo)致彈載計(jì)算機(jī)在做數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)測(cè)試時(shí)ENOB測(cè)試參數(shù)超差主要有兩個(gè)因素:(1)部分模塊晶振下部墊片尺寸較小。(2)現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備信號(hào)源相比以前的信號(hào)源輸出頻率有誤差。

3故障機(jī)理分析及仿真

在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的ENOB指標(biāo)測(cè)試過(guò)程中,同一計(jì)算機(jī)在完全相同的測(cè)試環(huán)境下,測(cè)試結(jié)果會(huì)有一定的浮動(dòng),在測(cè)試中只進(jìn)行一次測(cè)試,有可能會(huì)遇到浮動(dòng)下限的情況。計(jì)算機(jī)測(cè)試數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的ENOB指標(biāo)使用的是相干采樣方法,而使用該方法測(cè)試A/D的ENOB指標(biāo)需要的條件之一就是作FFT的點(diǎn)數(shù)必須為信號(hào)單周期采樣點(diǎn)數(shù)的整數(shù)倍。計(jì)算機(jī)目前采樣頻率理論值為10 MHz,信號(hào)頻率理論值為100 kHz,單周期采樣點(diǎn)數(shù)為100點(diǎn),FFT點(diǎn)數(shù)為8 100點(diǎn)。以上就要求采樣頻率和信號(hào)頻率必須保持100倍整數(shù)關(guān)系,無(wú)論是信號(hào)源還是彈載計(jì)算機(jī)模塊,只要晶振頻率存在Hz量級(jí)的漂移均會(huì)嚴(yán)重地影響測(cè)試結(jié)果,模擬彈載計(jì)算機(jī)模塊ADC目前的測(cè)試條件仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4　理想情況下相干采樣測(cè)試結(jié)果

圖5　輸入信號(hào)頻率偏差1 Hz下相干采樣測(cè)試結(jié)果

圖6　采樣頻率偏差50 Hz下相干采樣測(cè)試結(jié)果

從上述仿真結(jié)果可以看出,在輸入信號(hào)頻率誤差為10 ppm量級(jí)時(shí),ENOB指標(biāo)下降了1.5 bit。采樣頻率誤差為5 ppm量級(jí)時(shí),ENOB指標(biāo)下降約0.7 bit。而彈載計(jì)算機(jī)模塊目前測(cè)試使用的信號(hào)源頻率誤差量級(jí)為1 ppm,采樣頻率使用的晶振誤差量級(jí)為50 ppm,五分頻后其精度不會(huì)產(chǎn)生變化,頻率誤差變?yōu)椤?0 ppm。

可見(jiàn),采用相干采樣的測(cè)試算法對(duì)于硬件與外部設(shè)備匹配要求較高,一般若輸入信號(hào)和被測(cè)試件時(shí)鐘不是同源,難以做到測(cè)試結(jié)果的一致性,故需要對(duì)外部輸入信號(hào)源進(jìn)行調(diào)整,對(duì)于輸入信號(hào)的頻率要靠誤差100 kHz的正負(fù)十萬(wàn)分之一以內(nèi)(即±1 Hz)調(diào)整來(lái)配合其采樣頻率進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到ENOB的準(zhǔn)確值。

4改進(jìn)措施

晶振墊片進(jìn)行設(shè)計(jì)更改,并對(duì)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的信號(hào)源進(jìn)行頻率調(diào)整(調(diào)整范圍100 kHz±1 Hz以內(nèi)),使其與模塊采樣頻率能夠匹配;ENOB測(cè)試算法改為5次測(cè)試取平均值的算法,增加樣本量,保證測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定。

5結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于某彈載計(jì)算機(jī)中數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)ENOB測(cè)試過(guò)程超差性能不穩(wěn)定的情況,分析了影響因素,確定了故障點(diǎn),通過(guò)改進(jìn)措施的實(shí)施,有效保證了測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性。

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