模數轉換器動態參數測試系統及方法與流程
2023-07-12 14:12:41
本發明涉及集成電路測試領域，特別是涉及一種基於漢寧自卷積窗的模數轉換器動態參數測試系統及方法。
背景技術：
隨著當今電子科技的高速發展，現有的集成電路的結構非常複雜、集成化高且功能也很多樣化，面對電子信息技術的日益增長的需求，整個集成電路產業得到了飛速發展，模數轉換器作為模擬信號和數位訊號的接口電路也向高速高精度的方向不斷發展。由於模數轉換器的性能直接決定系統性能的好壞，因此，對模數轉換器的性能測試顯得尤為重要。
模數轉換器的性能一般包括靜態特性和動態特性，靜態特性參數主要包括差分非線性度和積分非線性度，主要用來衡量傳遞函數對基準線的偏離；動態特性參數主要包括信噪比、無雜散動態範圍、總諧波失真、信號與噪聲失真比、有效位數等能更好地表徵模數轉換器性能的參數。當輸入信號頻率和採樣速率很高時系統一般對模數轉換器的動態性能也有很高的要求。
快速傅立葉變換法是現有技術中常用的模數轉換器動態參數測試方法。它通過採樣時鐘控制輸出數位訊號的採集，然後進行快速傅立葉變換運算，得到諸如信噪比等動態參數。快速傅立葉變換是研究整個時間域和頻率域的關係。不過，當運用計算機實現工程測試信號處理時，不可能對無限長的信號進行測量和運算，而是取其有限的時間片段進行分析。做法是從信號中截取一個時間片段，然後用截取的信號時間片段進行周期延拓處理，得到虛擬的無限長的信號，然後就可以對信號進行傅立葉變換、相關分析等數學處理。無限長的信號被截斷以後，其頻譜發生了畸變，原來集中在f(0)處的能量被分散到兩個較寬的頻帶中去了造成頻譜能量洩漏。為了減少頻譜能量洩漏，可採用不同的截取函數對信號進行截斷，截斷函數稱為窗函數，簡稱為窗。不同的窗函數對信號頻譜的影響是不一樣的，這主要是因為不同的窗函數，產生洩漏的大小不一樣，頻率分辨能力也不一樣。信號的截斷產生了能量洩漏，而用快速傅立葉變換算法計算頻譜又產生了柵欄效應，從原理上講這兩種誤差都是不能消除的，但是我們可以通過選擇不同的窗函數對它們的影響進行抑制。
有效抑制頻譜洩露、提高模數轉換器測試系統的性能是一個迫切需要解決的問題。目前已有多種方法能夠降低頻譜洩露的影響，例如採用基於時-頻域分別計算信號能量和噪聲能量，但該種方法需要通過信號重構恢復測試信號，誤差較大；也可以採用採樣後相干的方法提高測試精度。然而，這些方法抑制頻譜洩露的效果都不明顯，且實現較為複雜。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於漢寧自卷積窗的模數轉換器動態參數測試系統及方法，能夠有效地抑制頻譜洩露，減少諧波間的相互幹擾，提高信號參數的準確度。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種模數轉換器動態參數測試系統，其特徵在於：所述模數轉換器動態參數測試系統包括電腦端、與電腦端相連的採集控制模塊、與採集控制模塊相連的待測模數轉換器、與待測模數轉換器相連的信號源端及與待測模數轉換器相連的時鐘源端，所述信號源端提供一個穩定的正弦信號至所述待測模數轉換器，所述時鐘源端提供一個穩定的時鐘信號至所述待測模數轉換器，所述待測模數轉換器將接收到的模擬正弦信號轉換為數位訊號，所述採集控制模塊採集所述待測模數轉換器輸出的數位訊號，並將採集到的數位訊號傳送至所述電腦端，所述電腦端對所述待測模數轉換器進行動態參數測試，並顯示所述待測模數轉換器動態參數測試結果。
所述電腦端包括用於測試所述待測模數轉換器動態參數的數據處理模塊，所述數據處理模塊包括漢寧自卷積窗，所述漢寧自卷積窗函數的旁瓣電平、旁瓣衰減速度與卷積階數成正比。
在對所述待測模數轉換器的動態參數進行測試前，預先設置採集樣本組數及樣本點大小。
在對所述待測模數轉換器的動態參數進行測試前，設置所述信號源端和所述時鐘源端輸入信號的頻率和幅值，且所述時鐘源端輸入時鐘信號的頻率大於等於所述信號源端輸入正弦信號的頻率的兩倍。
一種模數轉換器動態參數測試方法，包括以下步驟：
初始化設置；
待測模數轉換器將接收到的模擬正弦信號轉換為數位訊號；
採集控制模塊採集待測模數轉換器輸出的數位訊號，並將採集到的數位訊號傳送至電腦端；
電腦端進行動態參數測試，對採集到的數位訊號進行預處理；
對預處理的數位訊號樣本加入漢寧窗進行截斷處理；
對漢寧窗進行自卷積運算；
對自卷積運算後的窗函數進行快速傅立葉變換運算，得到頻譜圖；
在頻譜圖的奈奎斯特區間求得幅度最大值，即為基波，確定基波信號對應的頻點和能量；
在諧波能量範圍內根據平均頻譜圖確定各諧波頻點，並計算諧波能量；
計算直流能量，並根據直流能量、基波能量、諧波能量確定噪聲能量；
根據信噪比、無雜散動態範圍、總諧波失真、信號與噪聲失真比、有效位數的計算公式 求得各項主要動態參數；以及
所述電腦端顯示所述待測模數轉換器的動態參數測試結果。
所述初始化包括設置採集樣本組數及樣本點大小；設置信號源端和時鐘源端輸入信號的頻率和幅值，且所述時鐘源端輸入時鐘信號的頻率大於等於所述信號源端輸入正弦信號的頻率的兩倍。
所述電腦端包括用於測試所述待測模數轉換器動態參數的數據處理模塊，所述數據處理模塊包括漢寧自卷積窗，所述漢寧自卷積窗函數的旁瓣電平、旁瓣衰減速度與卷積階數成正比。
本發明的有益效果是：有效地抑制了頻譜洩露，減少了諧波間的相互幹擾，且提高了信號參數的準確度。
附圖說明
圖1為本發明模數轉換器動態參數測試系統的系統架構圖；
圖2為本發明模數轉換器動態參數測試方法的方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。
如圖1所示，圖1為本發明模數轉換器動態參數測試系統的系統架構圖，本發明模數轉換器動態參數測試系統包括電腦端、與電腦端相連的採集控制模塊、與採集控制模塊相連的待測模數轉換器、與待測模數轉換器相連的信號源端及與待測模數轉換器相連的時鐘源端。其中，電腦端包括用於測試待測模數轉換器動態參數的數據處理模塊。信號源端提供一個穩定的正弦信號fi至待測模數轉換器，時鐘源端提供一個穩定的時鐘信號fs至待測模數轉換器，待測模數轉換器將接收到的模擬正弦信號fi轉換為數位訊號，採集控制模塊採集待測模數轉換器輸出的數位訊號，並將採集到的數位訊號傳送至電腦端，電腦端啟動數據處理模塊進行動態參數測試，並顯示待測模數轉換器動態參數測試結果。
在本發明中，電腦端的數據處理模塊中包括漢寧自卷積窗，漢寧自卷積窗函數的旁瓣電平、旁瓣衰減速度與卷積階數成正比，因此，隨著卷積階數的增加，漢寧自卷積窗函數的旁瓣性能得到迅速提高，有效地抑制了頻譜洩露帶來的測試誤差，且快速、準確地對測試模數轉換器的動態參數進行測試。
另外，在對待測模數轉換器的動態參數進行測試前，需要預先設置採集樣本組數及樣本點大小；設置信號源端和時鐘源端輸入信號的頻率和幅值，為了避免頻譜混疊效應，需要保證時鐘源端輸入時鐘信號fs的頻率大於等於信號源端輸入正弦信號fi的頻率的兩倍，即fs≥ 2fi。
如圖2所示，圖2為本發明模數轉換器動態參數測試方法的方法流程圖，本發明模數轉換器動態參數測試方法包括以下步驟：
步驟一，初始化設置；包括設置採集樣本組數及樣本點大小；設置信號源端和時鐘源端輸入信號的頻率和幅值，為了避免頻譜混疊效應，需要保證時鐘源端輸入時鐘信號fs的頻率大於等於信號源端輸入正弦信號fi的頻率的兩倍，即fs≥2fi。
步驟二，待測模數轉換器將接收到的模擬正弦信號fi轉換為數位訊號。
步驟三，採集控制模塊採集待測模數轉換器輸出的數位訊號，並將採集到的數位訊號傳送至電腦端。
步驟四，電腦端啟動數據處理模塊進行動態參數測試，對採集到的數位訊號進行預處理。
步驟五，對預處理的數位訊號樣本加入漢寧窗進行截斷處理。
步驟六，對漢寧窗進行自卷積運算。
步驟七，對自卷積運算後的窗函數進行快速傅立葉變換運算，得到頻譜圖。
步驟八，在頻譜圖的奈奎斯特區間求得幅度最大值，即為基波，確定基波信號對應的頻點和能量。
步驟九，在諧波能量範圍內根據平均頻譜圖確定各諧波頻點，並計算諧波能量。
步驟十，計算直流能量，並根據直流能量、基波能量、諧波能量確定噪聲能量。
步驟十一，根據信噪比、無雜散動態範圍、總諧波失真、信號與噪聲失真比、有效位數的計算公式求得各項主要動態參數。
步驟十二，電腦端顯示待測模數轉換器的動態參數測試結果。
本發明模數轉換器動態參數測試系統及方法與現有技術相比，具有以下優點：電腦端的數據處理模塊中包括漢寧自卷積窗，漢寧自卷積窗函數的旁瓣電平、旁瓣衰減速度與卷積階數成正比，因此，隨著卷積階數的增加，漢寧自卷積窗函數的旁瓣性能得到迅速提高，有效地抑制了頻譜洩露帶來的測試誤差，且快速、準確地對測試模數轉換器的動態參數進行測試；且基於漢寧自卷積窗進行測試，減少了諧波間的相互幹擾，可以提高信號參數的準確度。
綜上所述，本發明模數轉換器動態參數測試系統及方法，可以有效地抑制頻譜洩露，減少諧波間的相互幹擾，提高信號參數的準確度。