Разработка и испытания преобразователей данных: измерительные задачи
По мере того как преобразователи данных постепенно вытесняют с рынка традиционные ВЧ-системы вплоть до гигагерцового диапазона, растет необходимость в валидации АЦП и ЦАП для таких улучшенных сценариев использования. Преобразователи служат связующим звеном между аналоговой и цифровой областями, поэтому работа любой системы напрямую зависит от качества преобразователя. Высокоскоростной процессор и идеальный усилитель бесполезны, если АЦП/ЦАП не имеет аналогичного быстродействия или вносит существенные шумы и искажения.
Для удовлетворения спроса на увеличение полос пропускания и скоростей передачи данных разрабатываются новые поколения высокоскоростных преобразователей данных, которые раздвигают границы тактовой частоты и мощности цифровой обработки. В то же время различные факторы, такие как малое время задержки, низкая потребляемая мощность и эффективное рассеяние тепла, создают дополнительные трудности при проектировании и испытаниях электроники и ВЧ-устройств.
Для валидации аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и испытаний энергопотребления устройств требуются точные измерения нескольких ключевых параметров.
Далее перечислены критически важные параметры преобразователей:
- Отношение сигнал/шум (SNR): определяет чувствительность преобразователя путем сравнения уровня требуемого сигнала с уровнем фонового шума. Этот параметр имеет первостепенное значение при проверке ВЧ- и СВЧ-систем. Высокое отношение сигнал/шум означает, что преобразователь способен более четко отличать сигналы от шума. В результате повышается качество выходного сигнала.
- Свободный от гармоник динамический диапазон (SFDR): определяет соотношение мощности сигнала и наибольшей паразитной составляющей. Чем выше SFDR, тем лучше преобразователь подавляет нежелательные паразитные сигналы. Это очень важно для обеспечения целостности сигналов в системах с широким динамическим диапазоном.
- Эффективная разрядность (ENOB): объединяет SNR и SFDR в один показатель. Эффективная разрядность в значительной степени зависит от величины SFDR и показывает количество разрядов, полезных для конкретного приложения, независимо от теоретического разрешения преобразователя. Приблизительная формула ENOB = SFDR/6,02 + 1,76 дБ
- Частотная характеристика: описывает чувствительность и диапазон частот аналоговой части преобразователя при различных частотах сигнала и полосах пропускания. Она гарантирует точность и постоянство процесса преобразования в полном диапазоне ожидаемых входных сигналов.
Кроме того, разнообразные внешние факторы оказывают существенное влияние на рабочие характеристики преобразователя. В их состав входят:
- Качество тактового сигнала: влияет на синхронизацию преобразователя. Фазовый шум, джиттер, паразитные составляющие и прочие искажения тактового сигнала оказывают непосредственное влияние на точность выходного сигнала преобразователя.
- Источник питания постоянного тока: обеспечивает подачу необходимого электропитания на преобразователь и зачастую упускается из виду, хотя он не менее важен, чем тактовый сигнал. Надлежащая целостность питания от источника питания постоянного тока необходима для поддержания четкого и точного сигнала преобразователя.
- Целостность сигнала на плате: любые перекрестные помехи внутри конструкции вступают во взаимодействие и оказывают влияние на качество сигнала вокруг преобразователя.
Как было сказано выше, новые преобразователи способны напрямую выполнять дискретизацию ВЧ-сигналов и поэтому зачастую обозначаются как ВЧ-ЦАП или ВЧ-АЦП. Для этих устройств пригождается полный спектр ВЧ-испытаний. При этом играют роль два ключевых показателя эффективности преобразователей данных:
- Испытание интермодуляции с двухтональным сигналом является основным методом анализа ВЧ-функций и искажений.
- В определенных сценариях использования проводится валидация модуля вектора ошибок с применением требуемой формы сигнала, чтобы гарантировать малый коэффициент битовых ошибок.
В новых поколениях высокоскоростных преобразователей данных особое внимание уделяется требованиям по увеличению полосы пропускания и скорости передачи данных. Кроме того, к ним предъявляются повышенные требования в отношении частоты тактовых сигналов и эффективности обработки цифровых данных. Другие аспекты, такие как низкое энергопотребление и тепловыделение, приводят к появлению дополнительных проблем при разработке и испытаниях электронных и ВЧ-устройств.
