CN102636696B - 一种开关电容型模数转换器输入阻抗的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于模数转换器性能测试技术领域，具体为一种开关电容型模数转换器输入阻抗的测试方法。首先改进相应的测试系统，该测试系统包括两块电路板，一块是包含待测模数转换器、输入信号电路、时钟信号电路等的评估板，另一块是仅包含输入信号电路的小电路板；时钟信号电路由一台函数/波形发生器提供时钟信号；由一网络分析仪来测试评估板内的待测模数转换器的输入阻抗和小电路板的输入信号电路的阻抗；通过解嵌算法，计算出待测模数转换器的输入阻抗。本发明方法同传统的测试方法相比，不需要用示波器对两路脉冲时钟信号的时序关系进行观察和调整，即可完成对开关电容型模数转换器输入阻抗的测试，所需的仪器设备少，对仪器的配置要求低，操作上也更简单。

Description

一种开关电容型模数转换器输入阻抗的测试方法

技术领域

本发明属于模数转换器性能测试技术领域，具体涉及一种开关电容型模数转换器输入阻抗的测试方法。

背景技术

模数转换器(ADC)是一个将模拟信号转换成数字信号即对模拟信号进行数字化(digitize)的元件。开关电容型采样保持器是模数转换器常用的一种采样保持接口，如流水线型(pipelined)模数转换器等均采用这种结构。

图1是一个采用开关电容结构的流水线型模数转换器的采样保持器结构示意图。该采样保持器100主要由放大器101、两个输入采样电容102-103、两个输入开关104-105、两个反馈开关106-107和两个采样开关108-109组成。两个输入开关104-105两端分别连接模拟输入信号AIN+/AIN-和两个输入采样电容102-103。两个反馈开关106-107两端分别连接输出信号AO+/AO-和两个输入采样电容102-103。

采样保持器100有跟踪模式和保持模式两种工作方式。当两个输入开关104-105和两个采样开关108-109导通，两个反馈开关106-107关闭时，模拟输入信号AIN+/AIN-连接两个输入采样电容102-103，模数转换器进入跟踪模式。在跟踪模式结束时，模拟输入信号AIN+/AIN-的值被两个输入采样电容102-103采集。当两个输入开关104-105和两个采样开关108-109关闭，两个反馈开关106-107导通时，模拟输入信号AIN+/AIN-同两个输入采样电容102-103隔离，输出信号AO+/AO-连接两个输入采样电容102-103，模数转换器进入保持模式。一般情况下，跟踪模式和保持模式的周期近似相等。

为了设计开关电容型模数转换器的输入接口电路，需要知道采样保持前端的频率响应，也就需要知道模数转换器的输入阻抗。但是，由于两个输入开关104-105的导通和关闭，在跟踪模式和保持模式期间，模数转换器的输入阻抗值是不同的，所以无法做到同输入信号驱动电路实现全周期的阻抗匹配。由于只是在跟踪模式期间模拟输入信号同采样保持器100的两个输入采样电容102-103相连，所以应该是跟踪模式期间模数转换器的输入阻抗同输入信号驱动电路做到阻抗匹配。而由于开关电容型模数转换器有采样和保持两种工作模式，导致两个输入开关104-105不能始终导通，所以如何精确地测试跟踪模式期间的输入阻抗值就成了一个技术上的难点。

目前关于这方面的研究文献还比较少。文献[1]给出了一种测试开关电容型模数转换器输入阻抗的方法，其系统示意图如图2所示。该测试方法需要两块电路板，一块是包含待测模数转换器203、输入信号电路204、时钟信号电路205、数字输出电路206、电源电路207的评估板201，另一块是仅包含输入信号电路208的小电路板202。小电路板202上的输入信号电路208同评估板201上的输入信号电路204的电路和物理结构完全相同。直流电源209为评估板201提供电源。一台两通道函数/波形发生器212提供两路频率为1MHz的脉冲时钟信号。一台需要提供外部时钟信号进行触发的网络分析仪210用来测试评估板201包含输入信号电路204在内的待测模数转换器203的输入阻抗和小电路板202的输入信号电路208的阻抗。使用网络分析仪210时，需要用到相应的网络分析仪接口校正套件211进行测试前的校正。一台示波器213进行观察和调整提供给时钟信号电路205和网络分析仪210的两路时钟信号的相位关系。

假设待测模数转换器203在接收到上升沿时钟信号后，输入开关104-105由导通变成关闭；网络分析仪210在接收到外部下降沿时钟触发信号后，开始进行频率扫描，测试模数转换器输入阻抗的值。图3、4为测试跟踪模式下输入阻抗值时两路时钟信号的相位关系图。一路占空比为90%，经过时钟信号电路205后作为待测模数转换器203的输入时钟信号；另一路占空比为50%，作为网络分析仪210的外部触发信号。调节这两路时钟信号的相位关系，并通过示波器213进行观察和调整，使提供给网络分析仪210的触发信号的下降沿位于待测模数转换器203的跟踪模式期间，即可测试跟踪模式期间待测模数转换器203的输入阻抗值。

首先用网络分析仪210测试跟踪模式期间评估板201包含输入信号电路204在内的待测模数转换器203的输入阻抗，再用网络分析仪210测试小电路板202的输入信号电路208的阻抗，通过解嵌算法，计算出待测模数转换器203的输入阻抗。要求网络分析仪210从接收到外部时钟触发信号至跟踪模式结束期间内完成一次频率扫描。

如果要测试在保持模式下的输入阻抗值，则图3中提供给待测模数转换器203的输入时钟信号相位则要完全相反，如图4所示。其它操作步骤和跟踪模式相同。

这种测试方法有几个方面的缺点。一是需要一台两通道函数/波形发生器212，且产生的两路脉冲时钟信号之间的相位关系要精确可调，一般的信号发生器没有这方面的功能；二是需要用示波器213对两路脉冲时钟信号的时序关系进行观察和调整，操作上比较复杂；三是这种方法要求网络分析仪210在从接收到外部时钟触发信号开始到跟踪模式结束期间内，就要完成一次频率扫描工作。例如如果时钟信号为1MHz，则要求网络分析仪210完成一次扫描工作最高不超过0.9微秒，目前几乎没有网络分析仪能够达到这么高的工作速度。

可见，文献[1]提供的这种方法需要的仪器设备多，对仪器的配置要求高，而且操作也比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种需要仪器设备少，对仪器的配置要求低，而且操作比较简单的开关电容型模数转换器输入阻抗的测试方法。

本发明是基于这样的发现。在图2中，网络分析仪210在阻抗测试期间，如果被测阻抗的值是周期性快速变化的，则网络分析仪210的测试结果为测试阻抗值的平均值。而待测模数转换器203只工作在跟踪模式和采样模式两种模式下，所以随着图3中提供给待测模数转换器203的时钟信号占空比的变化，网络分析仪210测试所得的待测模数转换器203的输入阻抗值做相应的线性变化。实际测试结果也已经证实，网络分析仪210测试所得的待测模数转换器203的输入阻抗值随着时钟信号占空比的变化作相应的线性变化。 

基于上述发现，本发明提出的测试方法，首先对测试系统加以改进，本发明的测试系统示意图如图5所示。该测试系统也需要两块电路板，一块是包含待测模数转换器203、输入信号电路204、时钟信号电路205、数字输出电路206、电源电路207的评估板201，另一块是仅包含输入信号电路208的小电路板202。小电路板202上的输入信号电路208同评估板201上的输入信号电路204的电路和物理结构完全相同。直流电源209为评估板201提供电源。一台可提供一路占空比可调的时钟信号的函数/波形发生器512提供时钟信号给时钟信号电路205。一台不需要提供外部时钟信号进行触发的网络分析仪510用来测试评估板201包含输入信号电路204在内的待测模数转换器203的输入阻抗和小电路板202的输入信号电路208的阻抗。使用网络分析仪510时，需要用到相应的网络分析仪接口校正套件511进行测试前的校正。

假设待测模数转换器203在接收到上升沿时钟信号后，输入开关104-105由导通变成关闭。由函数/波形发生器512产生一路时钟信号，占空比设为0~100%之间某个值，经过时钟信号电路205后作为待测模数转换器203的输入时钟信号。

首先，用网络分析仪510测试评估板201包含输入信号电路204在内的待测模数转换器203的输入阻抗，再用网络分析仪510测试小电路板202的输入信号电路208的阻抗，通过解嵌算法（为已有算法），计算出待测模数转换器203的输入阻抗。对网络分析仪510的工作速度没有要求。

然后，取一系列占空比值（例如为10、20、30、…80、90%等），在各占空比值下，再分别测试模数转换器的输入阻抗的值，并通过直线拟合和延伸，得到占空比分别为0和100%时输入阻抗的值。而占空比为0对应的是模数转换器的保持模式，占空比为100%对应的是模数转换器的跟踪模式。

本发明不需要用示波器213对两路脉冲时钟信号的时序关系进行观察和调整，即可完成对开关电容型模数转换器输入阻抗的测试，所以需要的仪器设备少。

本发明中的函数/波形发生器512只需提供一路占空比可调的时钟信号给时钟信号电路205即可，不要求能够产生两路脉冲时钟信号且信号之间的相位关系要精确可调；网络分析仪510也不需要提供外部时钟触发信号，而且对网络分析仪510的工作速度也没有要求，所以对仪器的配置要求低。

由于没有了图2中的两路时钟信号，进而也无需示波器213对两路脉冲时钟信号的时序关系进行观察和调整，所以操作上也比较简单。

附图说明

图1是开关电容型采样保持器结构示意图。

图2是文献[1]测试方法说明示意图。

图3是跟踪模式下时钟时序图。

图4是保持模式下时钟时序图。

图5是依据本发明方案的测试方法说明示意图。

图6是依据本发明方案的测试数据处理示意图。

具体实施方式

基于本发明的测试方法的系统示意图如图5所示，同图2传统的测试方法相比，不需要使用示波器213对两路脉冲时钟信号的时序关系进行观察和调整，即可完成对开关电容型模数转换器输入阻抗的测试。

在实施测试时，直流电源209为评估板201提供电源，函数/波形发生器512产生一路占空比可调的时钟信号提供给时钟信号电路205，使用网络分析仪510测试评估板201包含输入信号电路204在内的待测模数转换器203的输入阻抗，再用网络分析仪510测试小电路板202的输入信号电路208的阻抗，通过解嵌算法，计算出待测模数转换器203的输入阻抗。用同样的方法，取一系列的占空比的值，分别测试其相应的输入阻抗值。

对测试数据的处理如图6所示，横坐标为时钟信号占空比的值，纵坐标为测试所得的输入电容的值。根据测试所得到的一系列点，通过拟合画出一条直线。开关电容型模数转换器正常工作时，占空比不能取到0或者100%。而保持模式所对应的占空比为0，跟踪模式所对应的占空比为100%。可以将拟合得到的直线，向两端作直线延伸，如图6中虚线所示。延伸线同占空比为0的直线的交点A即为保持模式下输入电容的值；同占空比为100%的直线的交点B即为跟踪模式下输入电容的值。

图6中给出的是输入电容的测试值，输入电阻的测试值也可以用同样的方法测试得到。

网络分析仪510采用阻抗分析仪等任何能够测试输入阻抗的仪器替代，均属本发明中附带的权利要求规定的精神或涵盖范围。

函数/波形发生器512采用其它任何能够提供一路占空比可调的时钟信号的信号源替代，均属本发明中附带的权利要求规定的精神或涵盖范围。

直流电源209采用任何能够提供评估板正常工作所需电源的方式替代，均属本发明中附带的权利要求规定的精神或涵盖范围。

总之，本发明的实施方案仅是示范性的，进行的详细阐述目的是让有相当经验的从业者能够加以实现。毫无疑问，对方案进行实质上等效的大量修改、变动和调整，皆应属本发明中附带的权利要求规定的精神或涵盖范围。

参考文献

【1】R. Reeder. Application Note AN-742: Frequency Domain Response of Switched-Capacitor ADCs [R]. Analog Devices。

Claims (1)

1. 一种开关电容型模数转换器输入阻抗的测试方法，其特征在于：改进相应的测试系统，该测试系统包括两块电路板，一块是包含待测模数转换器（203）、第一输入信号电路（204）、时钟信号电路（205）、数字输出电路（206）、电源电路（207）的评估板（201），另一块是仅包含第二输入信号电路（208）的小电路板（202）；小电路板（202）上的第二输入信号电路（208）同评估板（201）上的第一输入信号电路（204）的电路和物理结构完全相同；评估板（201）由直流电源（209）提供电源；时钟信号电路（205）由一台可提供一路占空比可调的时钟信号的函数/波形发生器（512）提供时钟信号；由一台不需要提供外部时钟信号进行触发的网络分析仪（510）来测试评估板（201）包含第一输入信号电路（204）在内的待测模数转换器（203）的输入阻抗和小电路板（202）的第二输入信号电路（208）的阻抗；使用网络分析仪（510）时，用相应的网络分析仪接口校正套件（511）进行测试前的校正；

假设待测模数转换器（203）在接收到上升沿时钟信号后，两个输入开关（104-105）由导通变成关闭；由函数/波形发生器（512）产生一路时钟信号，占空比设为0~100%之间某个值，经过时钟信号电路（205）后作为待测模数转换器（203）的输入时钟信号；

首先，用网络分析仪（510）测试评估板（201）包含第一输入信号电路（204）在内的待测模数转换器（203）的输入阻抗，再用网络分析仪（510）测试小电路板（202）的第二输入信号电路（208）的阻抗，通过解嵌算法，计算出待测模数转换器（203）的输入阻抗；

然后，取一系列占空比值，在各占空比值下，再分别测试模数转换器的输入阻抗的值，并通过直线拟合和延伸，得到占空比分别为0和100%时输入阻抗的值；其中，占空比为0对应的是模数转换器的保持模式，占空比为100%对应的是模数转换器的跟踪模式。

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