CN107294533A - 模数转换器动态参数测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模数转换器动态参数测试系统，包括电脑端、与电脑端相连的采集控制模块、与采集控制模块相连的待测模数转换器、与待测模数转换器相连的信号源端及时钟源端，信号源端提供一个稳定的正弦信号至待测模数转换器，时钟源端提供一个稳定的时钟信号至待测模数转换器，待测模数转换器将接收到的模拟正弦信号转换为数字信号，采集控制模块采集待测模数转换器输出的数字信号，并将采集到的数字信号传送至电脑端，电脑端对待测模数转换器进行动态参数测试，并显示待测模数转换器动态参数测试结果。本发明还公开了一种模数转换器动态参数测试方法。本发明能够有效抑制频谱泄露，减少谐波间相互干扰，提高信号参数的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路测试领域，特别是涉及一种基于汉宁自卷积窗的模数转换器动态参数测试系统及方法。
背景技术
随着当今电子科技的高速发展，现有的集成电路的结构非常复杂、集成化高且功能也很多样化，面对电子信息技术的日益增长的需求，整个集成电路产业得到了飞速发展，模数转换器作为模拟信号和数字信号的接口电路也向高速高精度的方向不断发展。由于模数转换器的性能直接决定系统性能的好坏，因此，对模数转换器的性能测试显得尤为重要。
模数转换器的性能一般包括静态特性和动态特性，静态特性参数主要包括差分非线性度和积分非线性度，主要用来衡量传递函数对基准线的偏离；动态特性参数主要包括信噪比、无杂散动态范围、总谐波失真、信号与噪声失真比、有效位数等能更好地表征模数转换器性能的参数。当输入信号频率和采样速率很高时系统一般对模数转换器的动态性能也有很高的要求。
快速傅里叶变换法是现有技术中常用的模数转换器动态参数测试方法。它通过采样时钟控制输出数字信号的采集，然后进行快速傅里叶变换运算，得到诸如信噪比等动态参数。快速傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。不过，当运用计算机实现工程测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析。做法是从信号中截取一个时间片段，然后用截取的信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，然后就可以对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。无限长的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在f(0)处的能量被分散到两个较宽的频带中去了造成频谱能量泄漏。为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。不同的窗函数对信号频谱的影响是不一样的，这主要是因为不同的窗函数，产生泄漏的大小不一样，频率分辨能力也不一样。信号的截断产生了能量泄漏，而用快速傅里叶变换算法计算频谱又产生了栅栏效应，从原理上讲这两种误差都是不能消除的，但是我们可以通过选择不同的窗函数对它们的影响进行抑制。
有效抑制频谱泄露、提高模数转换器测试系统的性能是一个迫切需要解决的问题。目前已有多种方法能够降低频谱泄露的影响，例如采用基于时-频域分别计算信号能量和噪声能量，但该种方法需要通过信号重构恢复测试信号，误差较大；也可以采用采样后相干的方法提高测试精度。然而，这些方法抑制频谱泄露的效果都不明显，且实现较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于汉宁自卷积窗的模数转换器动态参数测试系统及方法，能够有效地抑制频谱泄露，减少谐波间的相互干扰，提高信号参数的准确度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种模数转换器动态参数测试系统，其特征在于：所述模数转换器动态参数测试系统包括电脑端、与电脑端相连的采集控制模块、与采集控制模块相连的待测模数转换器、与待测模数转换器相连的信号源端及与待测模数转换器相连的时钟源端，所述信号源端提供一个稳定的正弦信号至所述待测模数转换器，所述时钟源端提供一个稳定的时钟信号至所述待测模数转换器，所述待测模数转换器将接收到的模拟正弦信号转换为数字信号，所述采集控制模块采集所述待测模数转换器输出的数字信号，并将采集到的数字信号传送至所述电脑端，所述电脑端对所述待测模数转换器进行动态参数测试，并显示所述待测模数转换器动态参数测试结果。
所述电脑端包括用于测试所述待测模数转换器动态参数的数据处理模块，所述数据处理模块包括汉宁自卷积窗，所述汉宁自卷积窗函数的旁瓣电平、旁瓣衰减速度与卷积阶数成正比。
在对所述待测模数转换器的动态参数进行测试前，预先设置采集样本组数及样本点大小。
在对所述待测模数转换器的动态参数进行测试前，设置所述信号源端和所述时钟源端输入信号的频率和幅值，且所述时钟源端输入时钟信号的频率大于等于所述信号源端输入正弦信号的频率的两倍。
一种模数转换器动态参数测试方法，包括以下步骤：
初始化设置；
待测模数转换器将接收到的模拟正弦信号转换为数字信号；
采集控制模块采集待测模数转换器输出的数字信号，并将采集到的数字信号传送至电脑端；
电脑端进行动态参数测试，对采集到的数字信号进行预处理；
对预处理的数字信号样本加入汉宁窗进行截断处理；
对汉宁窗进行自卷积运算；
对自卷积运算后的窗函数进行快速傅里叶变换运算，得到频谱图；
在频谱图的奈奎斯特区间求得幅度最大值，即为基波，确定基波信号对应的频点和能量；
在谐波能量范围内根据平均频谱图确定各谐波频点，并计算谐波能量；
计算直流能量，并根据直流能量、基波能量、谐波能量确定噪声能量；
根据信噪比、无杂散动态范围、总谐波失真、信号与噪声失真比、有效位数的计算公式求得各项主要动态参数；以及
所述电脑端显示所述待测模数转换器的动态参数测试结果。
所述初始化包括设置采集样本组数及样本点大小；设置信号源端和时钟源端输入信号的频率和幅值，且所述时钟源端输入时钟信号的频率大于等于所述信号源端输入正弦信号的频率的两倍。
所述电脑端包括用于测试所述待测模数转换器动态参数的数据处理模块，所述数据处理模块包括汉宁自卷积窗，所述汉宁自卷积窗函数的旁瓣电平、旁瓣衰减速度与卷积阶数成正比。
本发明的有益效果是：有效地抑制了频谱泄露，减少了谐波间的相互干扰，且提高了信号参数的准确度。
附图说明
图1为本发明模数转换器动态参数测试系统的系统架构图；
图2为本发明模数转换器动态参数测试方法的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，图1为本发明模数转换器动态参数测试系统的系统架构图，本发明模数转换器动态参数测试系统包括电脑端、与电脑端相连的采集控制模块、与采集控制模块相连的待测模数转换器、与待测模数转换器相连的信号源端及与待测模数转换器相连的时钟源端。其中，电脑端包括用于测试待测模数转换器动态参数的数据处理模块。信号源端提供一个稳定的正弦信号fi至待测模数转换器，时钟源端提供一个稳定的时钟信号fs至待测模数转换器，待测模数转换器将接收到的模拟正弦信号fi转换为数字信号，采集控制模块采集待测模数转换器输出的数字信号，并将采集到的数字信号传送至电脑端，电脑端启动数据处理模块进行动态参数测试，并显示待测模数转换器动态参数测试结果。
在本发明中，电脑端的数据处理模块中包括汉宁自卷积窗，汉宁自卷积窗函数的旁瓣电平、旁瓣衰减速度与卷积阶数成正比，因此，随着卷积阶数的增加，汉宁自卷积窗函数的旁瓣性能得到迅速提高，有效地抑制了频谱泄露带来的测试误差，且快速、准确地对测试模数转换器的动态参数进行测试。
另外，在对待测模数转换器的动态参数进行测试前，需要预先设置采集样本组数及样本点大小；设置信号源端和时钟源端输入信号的频率和幅值，为了避免频谱混叠效应，需要保证时钟源端输入时钟信号fs的频率大于等于信号源端输入正弦信号fi的频率的两倍，即fs≥2fi。
如图2所示，图2为本发明模数转换器动态参数测试方法的方法流程图，本发明模数转换器动态参数测试方法包括以下步骤：
步骤一，初始化设置；包括设置采集样本组数及样本点大小；设置信号源端和时钟源端输入信号的频率和幅值，为了避免频谱混叠效应，需要保证时钟源端输入时钟信号fs的频率大于等于信号源端输入正弦信号fi的频率的两倍，即fs≥2fi。
步骤二，待测模数转换器将接收到的模拟正弦信号fi转换为数字信号。
步骤三，采集控制模块采集待测模数转换器输出的数字信号，并将采集到的数字信号传送至电脑端。
步骤四，电脑端启动数据处理模块进行动态参数测试，对采集到的数字信号进行预处理。
步骤五，对预处理的数字信号样本加入汉宁窗进行截断处理。
步骤六，对汉宁窗进行自卷积运算。
步骤七，对自卷积运算后的窗函数进行快速傅里叶变换运算，得到频谱图。
步骤八，在频谱图的奈奎斯特区间求得幅度最大值，即为基波，确定基波信号对应的频点和能量。
步骤九，在谐波能量范围内根据平均频谱图确定各谐波频点，并计算谐波能量。
步骤十，计算直流能量，并根据直流能量、基波能量、谐波能量确定噪声能量。
步骤十一，根据信噪比、无杂散动态范围、总谐波失真、信号与噪声失真比、有效位数的计算公式求得各项主要动态参数。
步骤十二，电脑端显示待测模数转换器的动态参数测试结果。
本发明模数转换器动态参数测试系统及方法与现有技术相比，具有以下优点：电脑端的数据处理模块中包括汉宁自卷积窗，汉宁自卷积窗函数的旁瓣电平、旁瓣衰减速度与卷积阶数成正比，因此，随着卷积阶数的增加，汉宁自卷积窗函数的旁瓣性能得到迅速提高，有效地抑制了频谱泄露带来的测试误差，且快速、准确地对测试模数转换器的动态参数进行测试；且基于汉宁自卷积窗进行测试，减少了谐波间的相互干扰，可以提高信号参数的准确度。
综上所述，本发明模数转换器动态参数测试系统及方法，可以有效地抑制频谱泄露，减少谐波间的相互干扰，提高信号参数的准确度。
Claims (7)
1.一种模数转换器动态参数测试系统，其特征在于：所述模数转换器动态参数测试系统包括电脑端、与电脑端相连的采集控制模块、与采集控制模块相连的待测模数转换器、与待测模数转换器相连的信号源端及与待测模数转换器相连的时钟源端，所述信号源端提供一个稳定的正弦信号至所述待测模数转换器，所述时钟源端提供一个稳定的时钟信号至所述待测模数转换器，所述待测模数转换器将接收到的模拟正弦信号转换为数字信号，所述采集控制模块采集所述待测模数转换器输出的数字信号，并将采集到的数字信号传送至所述电脑端，所述电脑端对所述待测模数转换器进行动态参数测试，并显示所述待测模数转换器动态参数测试结果。
2.根据权利要求1所述的模数转换器动态参数测试系统，其特征在于：所述电脑端包括用于测试所述待测模数转换器动态参数的数据处理模块，所述数据处理模块包括汉宁自卷积窗，所述汉宁自卷积窗函数的旁瓣电平、旁瓣衰减速度与卷积阶数成正比。
3.根据权利要求1所述的模数转换器动态参数测试系统，其特征在于：在对所述待测模数转换器的动态参数进行测试前，预先设置采集样本组数及样本点大小。
4.根据权利要求1所述的模数转换器动态参数测试系统，其特征在于：在对所述待测模数转换器的动态参数进行测试前，设置所述信号源端和所述时钟源端输入信号的频率和幅值，且所述时钟源端输入时钟信号的频率大于等于所述信号源端输入正弦信号的频率的两倍。
5.一种模数转换器动态参数测试方法，包括以下步骤：
初始化设置；
待测模数转换器将接收到的模拟正弦信号转换为数字信号；
采集控制模块采集待测模数转换器输出的数字信号，并将采集到的数字信号传送至电脑端；
电脑端进行动态参数测试，对采集到的数字信号进行预处理；
对预处理的数字信号样本加入汉宁窗进行截断处理；
对汉宁窗进行自卷积运算；
对自卷积运算后的窗函数进行快速傅里叶变换运算，得到频谱图；
在频谱图的奈奎斯特区间求得幅度最大值，即为基波，确定基波信号对应的频点和能量；
在谐波能量范围内根据平均频谱图确定各谐波频点，并计算谐波能量；
计算直流能量，并根据直流能量、基波能量、谐波能量确定噪声能量；
根据信噪比、无杂散动态范围、总谐波失真、信号与噪声失真比、有效位数的计算公式求得各项主要动态参数；以及
所述电脑端显示所述待测模数转换器的动态参数测试结果。
6.根据权利要求5所述的模数转换器动态参数测试方法，其特征在于：所述初始化包括设置采集样本组数及样本点大小；设置信号源端和时钟源端输入信号的频率和幅值，且所述时钟源端输入时钟信号的频率大于等于所述信号源端输入正弦信号的频率的两倍。
7.根据权利要求5所述的模数转换器动态参数测试方法，其特征在于：所述电脑端包括用于测试所述待测模数转换器动态参数的数据处理模块，所述数据处理模块包括汉宁自卷积窗，所述汉宁自卷积窗函数的旁瓣电平、旁瓣衰减速度与卷积阶数成正比。
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