怎麼量測16bit ADC DAC的ENOB

monkeybad

在AUDIO CODEC裡面 有一個16bit的ADC和DAC
9 l6 \9 t, e0 y' V2 \  w那要怎麼量測解析度高達16bit的ADC DAC 的 SNR SFDR ENOB?
( S! D! D. }2 ?/ u' g5 I- x因為感覺只要量測時一點點雜訊 就會把ENOB降低很多 可能只量到12 13bit而已
甚至有的規格還寫到24bit的

就我所知 應該都是做頻譜分析 用FFT去算 但是我只知道原理 電腦上面跑模擬而已
% T5 E) i4 I8 F7 ~" L真正在實際電路是怎麼去測的呢?
那有人有相關的經驗嗎?

3 P: s5 W; }* r0 ~8 e+ A[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-7-19 06:29 PM 編輯 ]

finster

我沒有實際作過ADC,但有作過10-bit dual-channel 88MHz DAC
( y- |5 Q, y) `* |$ W雖然不能給你直接的量測方法,不過,ADC和DAC是相反的動作方式
量測的方法兩者會有點相近,你可以參考看看
; H8 l2 a/ A% @, f, y在量測上,SNR,SFDR和ENOR,或者INL,DNL等參數
都是由外部灌測試信號,由output接收數值,然後再送到MATLAB作運算來得到這些值的
! O0 j  a4 g+ d" W! ?以DAC來說,量測INL和DNL是灌ramp signal,然後再各別的output 數值記錄,將這些數值再由MATLAB程式計算出相對的INL和DNL
4 D4 F/ a3 @/ P: U1 E& T9 M3 |至於測DAC的SFDR,SNR和ENOB,則是灌入具有sine waveform的數位碼,而這些數位碼要是2的倍數,同時要和取樣頻率(DAC本身的clock有一定的倍數關係),然後將output數值記錄,再送至MATLAB作FFT運算即可求出

至於ADC的量測方法也非常類似
# V! A! J1 d# |) V我同事是灌1Vp-p的sine waveform,頻率要和ADC的clock有一定的倍數關係,然後將output的數值記錄起來,接著將這些數值送到MATLAB中作運算,在MATLAB中的運算是將這些digital code轉成analog 數值,然後再作FFT運算,如此即可求得SNR,ENOB等值

就我所知道,ADC或者DAC幾乎都需要用MATLAB來作後續的計算,很少有直接使用儀器即可量測出SNR,ENOB等值的

sjhor

市面上有一台 audio precesion (AP) 的儀器應該可以測量!!
他的  format 都應該相當的完備!!
" `! I4 r9 c7 W7 \8 `+ M所以  還算不錯的選擇!!  此儀器應該在100萬台幣以內吧!!
) Z3 D' Z) A3 j; W, V5 _9 m0 ~很久沒玩了!!  所以  可以去詢價吧!!

% M8 D6 ]$ q: G! H7 Y測量的時候  跟你的PCB layout 會有很大的影響!!  當然跟接頭也有很大的關西!!
; \( ^. A5 _' ^- ~
建議採用BNC接頭!!  有鍍金的更佳唷!!

monkeybad

感謝各位的回覆! 還有一些不懂的地方想再問一下:
' ^7 P6 B% t/ g
請問一下所謂信號頻率和clock有一定倍數關係 是指我們再取樣時 一定要取到跟信號頻率剛好整數倍嗎?
舉個例好了, 譬如取樣的頻率為Fs, 輸入信號頻率為Fin, 取樣點是2的倍數, 為2^N, N為正整數
& ~3 l. j3 }2 a那取樣的點一定要取到剛好是輸入信號的整數倍 假設為M倍(就是取M個輸入信號的週期)
(根據傅立葉分析 理論上一定要剛好取到整數倍的週期 不然SNR會降很多 至少我模擬的時候是這樣)
2 J$ x) _. l3 [) [) C: m! P4 p則有下列關係 (1/Fs)*2^N=(1/Fin)*M 就是取樣點時間間隔乘以取樣數=信號週期時間乘以信號週期的倍數

假設Fs=1MHz, N=10, M=3, 則可推導出Fin=1M*3/(2^10)=29.297KHz
+ x7 K* V3 t+ O* w3 ~3 q
/ x: ^9 f; p5 h4 u; H: t! y現在我的疑惑是
在電腦上面跑模擬時 要輸入29.297KHz的信號很簡單 但是實際上在量測的時候 應該沒有辦法產生這麼奇怪的頻率吧?

所以會造成取樣的點不會剛好是整數倍的信號週期 使SNR下降
; _& I) O! u$ c
那假如我把取樣的點弄得很大, 譬如取N=30, 取樣點就有2^30個點, 那這樣會把這個沒有取到整數倍的誤差降低嗎?

finster

關於取樣點的問題
: W8 ~& o, c4 h: x用一個最簡單的例子來看,一個弦波信號,在一個週期內取樣點只有兩點和取樣點共有1024點,那個取樣出來的信號會比較接近原本的信號呢?
) _- `, T4 i0 U+ R2 q當然是用1024點的取樣
+ r( g3 U8 [$ K& M  m% w% V故而,相對的,取樣點愈多,所取樣出來的信號愈接近原本的信號,如此一來會降低誤差值

再來是取樣點和取樣頻率之所以要是2的倍數
乃是因為MATLAB要作傅立葉分析的緣故,如果取樣點和取樣頻率不是2的倍數的話
其SNR值會很差
7 _. j# b/ b1 F: N) Q" c3 _( [! j# A再來,取樣頻率是2倍和1024倍,兩者所計算出來的SNR也差蠻多的
取樣頻率愈大,SNR值愈佳,但相對的,計算的數值愈大,所需花費的時間和記憶容量也愈大,再者,取樣頻率大到一定程度後,所計算出來的SNR值只有差小數點後面幾位
  ?* D) j* ~) m7 i- ^6 d8 ?, f通常,我們都只作到(2^11)~(2^12)就以經很足夠了
7 U3 y# J" ~7 _( E  `
/ f( B3 M/ T" i. [最後,量測時,利用AWG可以產生出任何頻率(在儀器的可產生的最高頻率內)
, \6 M- K9 Z9 p6 }& c2 S8 C# x2 a6 z3 A所以,任何奇怪的頻率均取決於設計者在一開始設計電路時有沒有考量到任何狀況
所以,只要合乎當初的系統規格,取樣頻率應要在合理的範圍內才對

mt7344

Selecting the Optimum Test Tones and Test Equipment for Successful High-Speed ADC Sinewave Testing
4 j& v6 g7 A9 ^- b1 o5 wAbstract: An earlier application note Coherent Sampling vs. Window Sampling", covered the basics of coherent sampling. It showed differences between tests performed with coherent sampling and windowed sampling conditions. The following technical discussion is a follow-up note, which deals with the proper selection of test tones and instruments to successfully test and evaluate a high-speed ADC's AC performance.

6 P3 Y1 o3 ~1 }! W
; r+ T" P9 w9 x# z0 C8 I我記得有一種叫 Coherence 的方法!!  可以得到較佳的結果!!
) D2 l9 w" j' W! x附件應該有點幫助  我沒有仔細看!!  看完請提出觀後感!!
# z# Y' U. ^, i/ t$ N

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* q& z. o; f8 h7 `
: z# X; w5 [4 S! h! ]1 f[ 本帖最後由 mt7344 於 2007-7-23 09:44 AM 編輯 ]

monkeybad

剛才看了一下文件 還有一些相關資料
大概內容是這樣
coherent sampling就是我之前提的那個關係式 就是取樣點剛好取到輸入信號的整數週期
5 k( C  M; u0 m- [- x* ?5 H在整理一下
fIN / fSAMPLE = NCYCLE / NRECORD,
7 I$ P. T2 y( ^% DfIN: Periodic input signal
3 N# f* ]& t3 Q; R& @fSAMPLE: Sampling/clock frequency of the ADC under test
NCYCLE: Integer number of cycles in fin
6 k2 e# S& R8 y$ z" {4 O$ kNRECORD: Number of data points in the sampling window or FFT
4 d) ?3 E8 z4 e; y6 e6 n
5 {8 d7 t0 B: b6 t* X2 UNRECORD必須要是2的power 就是2^10, 2^11等等
0 o7 u9 @/ L9 D3 Q' c3 {NCYCLE/NRECORD 必須不能約分 所以NCYCLE要取奇數
2 }8 r- ?: g/ N
在這個關係下 用fft得到的SNR會較佳 因為剛好是整數倍 不會有spectral leakage現象
# }/ u: _4 I+ [1 A在有限的取樣點以外的地方 FFT把它當成是periodic的 假如不是取到整數倍 就會有其他諧波出現
這個地方在數位信號處理有關FFT章節上面有較完整的解釋 這邊就不多講了
而量測的tone剛好落在整數頻率上面 看起來會是很乾淨很漂亮的一根tone

  c- \; v' W; U& Y1 z; j萬一測試的頻率不能滿足coherent 就會有spectral leakage現象
, B6 E) L8 y3 A0 M8 w2 G5 E/ D因為frequency tone是落在fractional frequency上面 頻譜看起來就胖胖的一根
; J2 C5 f7 g3 \0 K# U那假如不能滿足這個coherent的關係 好像要加window去修正
有不同的window 例如Hamming Hanning Blackman
: ~/ q+ W3 I) x' n7 K這個地方不是很懂 還要在study一下 或是有人可以補充一下

7 c: z. K1 g5 C' \結論就是取樣點最好能滿足coherent關係 不能滿足的 就要加window修正
! e% e* u+ b. ^+ I; j
$ H% o- h( |0 o! o( R) j另外finster兄所講的AWG可以產生任何頻率 假如真的有這麼好用的儀器
9 P, \% ?& {, m那產生的信號就把他弄成滿足coherent關係就可以了吧 就不會有spectral leakage效應
另外問一下 AWG信號是不是用一個DA來產生的呀? 因為我們可以產生任何頻率和任何振幅的digital code sin wave
還是他產生的信號是連續的類比信號 不是用離散的去近似呀?
+ @; C- t. u3 b: @7 d
/ F9 t6 R! R) N/ M; U[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-7-23 04:26 PM 編輯 ]

finster

補充一下
  N, f9 U7 f+ o, T# L1 v2 I. c1 @量測ADC所用的儀器AWG,中文翻作"任意波形產生器",英文為"Any Waveform Generator"
安捷倫或者太克都有這方面的儀器,而AWG是量測ADC必備的儀器之一
AWG可以產生出弦波,方法,鋸齒波,pulse等波形,可以任意設定電壓及頻率,至於最高頻率則看儀器本身的限制
3 w/ T0 f* P' }8 S$ I* wAWG的output通常是1個channel到2個channel,我很少看到有人用AWG來作為digital code,要作digital code的sine waveform要自己寫MATLAB程式來產生
而量測ADC所需的另外一個儀器則是LA,中文應該翻作"邏輯分析儀",英文該為"Logic Analysis",因為ADC的output為digital code,故而使用LA則是最適合的儀器

至於量測DAC,所需的儀器則是pattern generator(中文我不知該翻作什麼)
' ]8 a8 h* m5 Y6 v$ G/ S' Z  j3 t在量測DAC的output waveform上,我都是使用示波器來計錄數值,然後再把這些數值帶到MATLAB作運算來算出INL/DNL/SNR/SFDR等
順道提一點的是
在量測DAC時,用的儀器是pattern generator,不過,送到pattern generator的digital code要先用MATLAB來產生出2倍數的sine waveform的digital code,如此一來pattern generator才可以將這些digital code依照等倍數的取樣頻率送到DAC,然後才能夠量到DAC的sine waveform

DennyT

找宜特把你的DIE包成IC, 他們的測試工程師 (好像叫Andrew Chio) 可以使用專業半導體測試機幫你量, 你可以設定多組coherent sampling的四個參數給他們的測試工程師 (還可以multi-tone, 2 or more Ncycle in a waveform, 測試機台有簡單的tool可以將多個波形進行數學運算後換成DAC code), 討論一下適合你們DAC的機台(量DAC用Digitizer的SNR and Noise floor) 及 Digitizer的anti-alias filter的Fc (Cut-Off Frequency), 幾天後應該就可以收到美美的Spectrum 及Linearity (DNL and INL) plot.

半導體測試機ATE所有儀器完全follow同一個master clock, 不論是DAC input的digital code或output的waveform digitizer一定完全同步(DAC的Fs clock=Digitizer的Fs clock), 其中機台上digitizer的clock可以設定phase delay, 用以準確sample DAC analog output的settling position, 每個DAC code step也可設定multi-sample後進行多點average, 藉以排除量測環境的random noise (fix tone noise是無法average掉的).

" ?9 Q7 U: g3 ^( a. q1 L- ?2 q/ F由於測試板所費不眥, 請先與他們討論DIE的封裝格式, 如果能使用現有的公板, 將可省下不少費用. 算是個不用買儀器卻可得到專業測試結果的方法 (因為少了硬體及測試程式開發成本, DIE改版後再送測的價錢便宜很多).
( i( i& W- s% |
$ `. u% q' f6 z. s2 ^5 ~8 J當然家大業大的design house早已自備ATE測試工程師, 一切不假外求, 也應該不會來這問這問題啦.

4 E7 Q9 }4 B4 ^; _題外話: Sigma-Delta modulator類的DAC是無法用triangle waveform量linearity的, 只能測single tone sine wave後利用統計方法繪出linearity plot;  另外很多Audio DAC會自動將input code用A-law或u-law修過, 需要事先告知測試工程師, 在產生DAC code時由tool修正.

gilmore

audio precesion (AP) 的儀器應該可以測量!!
$ \+ I  `0 @2 S8 Z7 m+ K不過僅限於Audio-band內的信號~~
可以量測ADC與DAC , 可做FFT , Linearity , 計算THD , SNR....等等
/ d3 i9 Y1 W: c0 o0 P輸出 :
輸出的sinewave 可達24-bit 左右的pure-sinewave~~~(fast-mode至少都有90幾db以上)
作為ADC的input 這是我看過最好的了~~~  一般信號產生器也才頂多60db~~
也可以用SCSI的介面輸出parallel的 Digital output 或是使用 I2S 串列輸出去喂給DAC
1 T7 u2 s* \$ T, i5 ~$ M2 EAP亦可以輸出其他波型~~~
% [4 ^% F! x+ ~% V' X; g! }
) a4 T. r& r" [$ x2 [輸入:
DAC output :  可以輸入DAC的output 去分析FFT, SNR , THD...等等
& H: ^6 t& [7 Z+ ?7 G# G; iADC output  : 可以利用SCSI平行輸入至AP 或是I2C 串列輸入至AP 去做FFT 及線性分析等等...

一台可以抵好幾台~~最近公司有買~~~價錢也還好大約100萬左右~~~含四年maintain費用
而且還可不定時免費上課--兩個人次---
3 A4 n+ Z' D& {之前有找過中古的不過也都要50~60萬之間 , 若是在外加maintain 費用4年也差不多90~100萬了
5 C& ]. v# A4 t( H7 I1 H所以就建議公司買新貨囉~~~不過新貨得從美國進口所以得花一些時間~~~
) J4 f* {- f! Y5 G! R+ s/ y  I
PS : 還可以量Class-D的performance呢~~~
相關網站:  http://www.audiotech.com.tw/

e2000

不然你就乖乖的把SPICE裡面的值帶到MATLAB裡面試試看,INL還有DNL可以用壓控電流源作看看,ENOB的話要求SNDR然後帶公式下去算,還是要做FFT,通常都是用MATLAB

ccp106

哈哈哈，看看那，谢谢分享啊

scy8080

補充一下
量測ADC所用的儀器AWG,中文翻作"任意波形產生器",英文為"Any Waveform Generator"
安捷倫或者太克 ...
finster 發表於 2007-7-23 07:34 PM

" _2 [  b+ e& V, P5 j8 U
/ C! n2 A5 G' J
请问什么示波器具有数据记录功能？哪家公司的什么型号？示波器的精度够吗？