高速折疊內插ADC 數模混合電路信號增強系統

楊忙，薛文龍

（1.山東芯慧微電子科技有限公司，山東濟南，250102；2.山東產研信息與人工智能融合研究院有限公司，山東濟南，250102）

0 引言

本文提出了一種高速折疊內插ADC 數模混合信號增強系統。該系統采用了先進的數字信號處理技術，可以在不引入額外噪聲和失真的情況下，顯著提高ADC 的輸出信號質量。此外，該系統還具有響應速度快、功耗低等優點，非常適合于高速應用領域。本文所提出的高速折疊內插ADC 數模混合信號增強系統的基本原理是基于數字信號處理技術和數字模擬轉換技術的結合。該系統首先對ADC 的輸出信號進行數字化處理，然后通過數字信號處理技術對數字化信號進行增強，最后再將增強后的數字化信號轉換為模擬信號輸出。這種數字化處理的方式可以有效地提高ADC 的輸出信號質量，同時避免了外部放大器和濾波器的使用。本文所提出的高速折疊內插ADC 數模混合信號增強系統是一種先進的電路信號增強系統，可以有效地提高ADC 的輸出信號質量。

1 系統硬件設計

在高速折疊內插ADC 數模混合電路信號增強系統中，系統硬件設計是至關重要的一部分。表1 是對系統硬件設計的具體選型。

表1 硬件設備選型

總之，系統硬件設計需要充分考慮系統的性能、穩定性、可靠性以及可擴展性等因素，以確保高速折疊內插ADC 數模混合電路信號增強系統的正常運行。

1.1 ARM 控制板

ARM 控制板是一種基于ARM 微控制器的電路板，它具有高度的可編程性和靈活性，可以用于各種嵌入式系統的控制應用。ARM 控制板通常由ARM 處理器、存儲器、輸入輸出接口等組成，具有高速、低功耗、高可靠性等特點。ARM 控制板可以用于各種領域，如工業控制、智能家居、醫療設備等[1]。在選擇ARM 控制板時，需要考慮其性能參數、接口類型、功耗和散熱性能等因素，以確保其能夠滿足應用需求。

1.2 STB 控制板

STB 測試板在高速折疊內插ADC 數模混合電路信號增強系統中扮演著重要的角色。在該系統中，STB 測試板可以用于測試ADC 的輸出信號質量和性能，以確保高速折疊內插算法能夠正確地處理數字信號并轉換為模擬信號輸出。STB 測試板的設計和制作需要考慮以下幾個方面：STB 測試板需要與高速ADC數模混合電路信號增強系統進行接口，因此需要考慮其接口類型和接口協議是否與系統中其他模塊兼容[2]。例如，STB 測試板可能需要與FPGA 或其他數字處理芯片進行接口，因此需要選擇具有合適接口類型的芯片。STB 測試板需要能夠準確地測試ADC 的輸出信號質量和性能，因此需要考慮其測試精度和穩定性。在設計和制作STB 測試板時，需要選擇高精度的測試儀器和元件，同時需要進行嚴格的測試。在高速折疊內插ADC 數模混合電路信號增強系統中，STB 測試板需要具備高速數據處理能力，以應對高速數字信號的測試和處理。因此，在設計和制作STB 測試板時，需要選擇具有高速處理能力的芯片和元件，同時需要考慮如何優化電路設計和算法實現，以提高測試板的處理速度和效率。STB 測試板的設計和制作需要考慮其可擴展性和可維護性。隨著技術的不斷發展和應用需求的變化，可能需要不斷地更新和升級測試板的硬件和軟件。因此，在設計和制作STB 測試板時，需要考慮如何方便地進行升級和維護，同時需要考慮如何優化電路設計和元件選擇，以提高測試板的可靠性和穩定性。

1.3 DUT 板

DUT 板是一種用于測試數字電視接收器的電路板，它通常由一個或多個DUT（Device Under Test）核心板、輸入輸出接口、電源模塊等組成。DUT 板在整個測試系統中作用是安放待測器件，測試系統的全部輸入輸出都集中在DUT 板上，有效地把測試系統的輸入激勵信號和測試輸出分離開。

1.4 繼電器矩陣板

繼電器矩陣板主要執行待測器件與測試系統的各個測試通道之間快速切換。測試系統為其提供地信號和SV 電源信號，對無繼電器矩陣同時輸入無數個信號，通過它的快速切換達到對被測器件施加矢量和讀取返回結果的效果。

2 系統軟件設計

2.1 ADC 參數測試

2.1.1 靜態參數測試

ADC 的靜態參數檢測主要是以低電壓或直流電流的方式測量ADC 芯片的各項性能指標。靜態參數的檢測方法有單點試驗等，其主要試驗步驟是：零點誤差的測定：零點誤差，也叫輸入不準，是指真實ADC 曲線中0 的編碼中點和理想ADC 轉換曲線中0 的編碼中點之間的最大錯誤，用EZ表示。它的測量是這樣進行的，將輸入電壓逐步增加，在數字顯示器從00 到00 變化到00……01 的時候，將這一時刻的輸入電壓Vin1 記錄下來，接著將輸入電壓逐步降低，使得數字顯示器從00……01 變成00……00，并記錄輸入電壓Vin2。ADC 的增益誤差主要體現在ADC 的實際發射特征曲線與理想發射特征曲線之間的偏離。它典型地以百分數（FSR）的形式表達。舉例來說，16 位模數轉換器，若增益錯誤率為±%，則最大模數轉換器輸出將產生7 比特錯誤（131）[3]。增益誤差可能會限制信號輸出的準確性，因此，需要通過校準盡量減小或消除這種誤差。對于兩點校準，可以通過選擇在滿量程范圍的10%和90%處作為測試輸入點，以此確定ADC 的偏移和增益誤差。然后，根據實際響應的輸出代碼，通過數學操作，把真實的響應線與理想ADC 的線進行映射，從而消除數字域中的偏移和增益誤差。ADC的最小有效位（LSB）是指在一個數字模擬轉換器（ADC）中能夠被識別的最小電壓變化量。它一般被定義為全范圍電壓/模數轉換器的解析度。例如，8 比特ADC 的尺寸是Vref/256，其全范圍電壓一般是Vref，256 分辨率（也就是2 的8 次方）。它的尺寸是模數轉換器精度的直接體現。隨著LSB 尺寸的減小，模數轉換器的精確度也隨之提高。例如，一個全范圍5V 的4 比特模數轉換器，那么其LSB 的大小為0.31V，這意味著這個ADC 能夠識別的最小電壓變化量為0.31V。ADC 差分非線性度（DNL）是指實際ADC 轉換器的輸入-輸出特性與理想直線的偏差。在理想的ADC 中，每個輸入代碼的轉換點是上一個轉換點的+1LSB（最低有效位）。然而，實際ADC 的轉換點可能會偏離這個理想位置，這就是差分非線性度的來源。

圖1 ADC DNL 計算圖

差分非線性度通常通過比較實際轉換點與理想轉換點的差異來計算。例如，在實際應用中，我們可能會比較每個輸入代碼對應的實際輸出碼字與理想輸出碼字的差異。然后，這些差異會被用來計算DNL。需要注意的是，由于DNL 誤差并不能完整地反映ADC 的線性，而是由DNL 正、負錯誤在各個碼字之間的分配決定[4]。因此，還需要考慮積分非線性度（INL）來更全面地評估ADC 的性能。

2.1.2 動態參數測試

ADC 動態參數測試是指對ADC 在模擬信號輸入時，其性能參數的測試。動力參數的測試方法主要有：動態信號疊加試驗、頻譜分析快速傅立葉變換等。動態信號疊加檢測法：其基本思路是將一個小的交流信號與被測A/D 變換器的模擬輸入基準電壓相疊加，使得A/D 變換器輸出的數字量在特定的代碼附近以特定的頻率進行反復變換，以此來檢驗對應的突變點和編碼中心，同時也可以測定零點、增益、相對精度以及線性差分誤差。該算法簡單，但受分辨率、速度等方面的限制。頻譜解析法是將全范圍內的正弦信號送入被檢測ADC，并將其存入存儲器，再對其進行FFT 計算，得到信噪比和THD 等參量。該電路的輸入信號為兩個不同頻率的正弦波，經FFT 處理即可得到該信號的IMD 值。對于高精度模數轉換器來說，快速傅立葉變換需要有足夠的時間，因此，如何選取合適的測試頻率是一個非常重要的問題。此外，快速傅立葉變換方法還需要采樣頻率不能等于信號頻率的整數倍。FFT 法是一種比較常見的模數轉換器動態測試技術，它具有直觀、簡單的特點，并且可以在其輸出譜上顯示幾乎全部的模數轉換器的畸變。

2.2 建立數模混合測試通道

ADC 數模混合測試通道的建立包括以下步驟：確定ADC 的參數：ADC 的參數包括精度、電壓輸入范圍等。精度是指模擬電壓經過ADC 轉換后得到的數字量的位數，電壓輸入范圍是指ADC 可以接受的輸入電壓范圍。選擇合適的測試信號：根據ADC 的參數，選擇合適的測試信號，例如正弦波、方波等。連接測試通道：將測試信號連接到ADC 的輸入端口，將ADC 的輸出端口連接到數字電路的輸入端口，將數字電路的輸出端口連接到模擬電路的輸入端口。設置ADC 參數：根據測試信號的特性，設置ADC 的參數，例如采樣率、分辨率等。啟動測試：啟動測試程序，記錄ADC 的輸出數據和模擬電路的輸出數據，比較兩者是否一致。通過以上步驟，可以建立ADC 數模混合測試通道，對ADC 的性能進行全面的測試。圖2 為數模混合測試通道結構圖。

圖2 數模混合測試通道結構圖

混合測試通道的核心是MTAP 控制器，為模數混合測試提供測試通道的各端口控制信號。有兩個模擬測試端，一個為AT1、一個為AT2，這兩個腳是專用引腳，不能用于其他用途。由MTAP，TBIC，ABM，AB1 和AB2 等組成模擬信號測試的基本架構，模擬測試激勵施加到AT1 端口，通過測試總線接口電路和模擬邊界模塊形成虛擬測試通道，在AT2 端口得到測試響應結果，用于模擬信號的測試。此外，MTAP 還可以添加兩個附加的模擬測試引腳AT1N 和AT2N，滿足對差分輸入/輸出信號進行測試。數字激勵施加到TDI 端口通過數字邊界模塊到TDO 端口形成測試通道獲得響應數據，用于數字信號測試。從AI/O 端口輸入模擬信號到ABM，通過ADC核心電路送到DBM 可以由DI/O 輸出數字信號，也可以作為激勵信號送到下一級檢測信號故障。模數轉換器(ADC)核心電路包括數據的采樣、保持及量化過程，采樣電路是模數轉換器的第一步，也是最為重要的轉換環節。采樣及跟蹤保持電路是執行采樣操作的主要電路，在噪聲和失真上進行折中設計。量化電路是模數轉換過程的一個主要步驟，量化過程會產生積分非線性、微分非線性及單調性問題。

2.3 優化數模轉換器算法

任何連續的模擬信號都可以用遞歸的二分法轉化成N位二進制表示形式。

式(1)中，是模擬信號輸入，是第i次迭代的模擬信號余量，Vref是參考電壓，是1 或-1。在為正值時，= 1。在為其他值時，=- 1，i=1,2,… ,N。以上公式是一位數字的算法，可以推廣到多位數字的情形。將模擬量轉化成輸出碼，具有ni比特。輸入范圍[-Vr ef,Vref]被分成從Ni個區間，Ni=2ni， 所對的模擬信號

iD被送到數字解碼電路中，同時通過子DAC轉回模擬信號，第i級子DAC 輸出電壓為：

該模擬信號和輸入的放大延遲模擬信號相減，從而得到殘差信號為：

2.4 增強電路信號

通過兩個三極管相連，將電壓變換為電流，將變換為電流的信號，再經過兩個三極管將其轉化為電壓，然后再通過場效應管對其進行放大，然后將其輸出到負載上，利用電阻將電壓轉化為電流，將其施加在FET 的發射極上，形成一個電流負反饋，再利用該電阻與FET的電流之差來放大信號。在圖3 中可以看到。

圖3 增強信號電路圖

經由第1 三極管VT1 及第23 極管VT2，將網路輸入訊號電壓變換為電流，經由第3 及第4 三極管VT4，將該網路輸入訊號的電壓，再經由第1FET1 及第2FET2 進行放大，并將其輸出及驅動負荷進一步進行放大。第一電阻器R1 變換輸出電壓為電流，并將其施加于第2FET2 的射極處，從而形成一個電流負反饋。因此，在第7 電阻器R7 中流動的電流為第2FET2 和反饋電流之差。從而獲得了對信號進行放大的增益，并改善了信號強度。

3 系統測試

3.1 測試準備

本實驗主要涉及高速折疊內插ADC 數模混合電路的實現。實驗的主要目標是提高模擬信號的采樣率和精度，同時優化數字信號處理算法，從而實現更穩定的信號增強。在實驗前，首先進行了模擬信號的輸入和采樣。我們采用了不同頻率和幅度的正弦波信號作為輸入，觀察系統的響應和穩定性。接下來，對數字信號處理算法進行了優化。通過采用更高效的濾波器和優化算法復雜度，輸出信號的信噪比（SNR）得到了明顯提升，同時減少了計算時間和內存占用。在電路設計方面，對混合電路的布局和元件參數進行了調整和優化。通過改進電路設計，減少了信號傳輸延遲和干擾，提高系統的性能。

3.2 測試結果及分析

為了驗證本文的系統具有實用性，對本文系統進行測試，測試結果如表2 所示。

表2 測試結果

實驗結果表明，本系統傳輸的信號個數與真實傳輸信號的個數基本相同，證明通過將優化后的ADC 模塊、數字信號處理算法和電路設計集成到系統中，輸出信號的質量得到了顯著提升，失真現象得到了有效抑制。本文的混合電路信號增強系統可以實現信號增強，傳輸信號質量較高。

4 結束語

總的來說，本文所介紹的高速折疊內插ADC 數模混合電路信號增強系統是一種創新性的解決方案，旨在提高ADC 的性能和輸出信號質量。通過采用先進的數字信號處理技術和數模混合設計，該系統能夠有效地解決傳統電路信號增強系統的不足。該系統的應用范圍廣泛，不僅可以用于各種電子設備的信號采集和處理，還可以用于通信、雷達、音頻和圖像處理等領域。此外，由于該系統采用了數字化處理的方式，可以方便地進行升級和優化，以適應不斷變化的應用需求和技術發展。在未來，我們期望能夠進一步研究和改進該系統，實現更高速、更低功耗和更高精度的信號增強，為電子系統的設計和優化提供更加完善的解決方案。