CN108061820A - 一种用于adc相频响应测试的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于ADC相频响应测试的方法，包括：基于高分辨率示波器(HDO)与相位展开正弦逼近法(PUSAM)测量模拟混频器与低通滤波器(MLPF)对特定载波频率窄带宽调频(FM)信号的降频转换时间延时；基于Nyquist采样定理与带通采样定理及保护带宽确定ADC采集FM信号所需的有效采样频率，以确保采集FM信号的有效频谱排列；ADC以有效采样频率同时采集模拟MLPF降频转换前后的高、低载波频率FM信号，基于PUSAM实现采集FM信号的解调，利用测量的模拟MLPF降频转换时间延时修正低载波频率FM信号的调制信号初相，通过修正后两FM信号的调制信号初相计算ADC在高载波频率的相频响应。本发明能够准确、快速的实现ADC相频响应测试，具有测试过程简单、频率范围宽、频率可高于ADC最大采样频率、多通道同时测试的优势。

Description

一种用于ADC相频响应测试的方法
技术领域
本发明属于ADC频率响应测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种ADC相频响应测试的方法。
背景技术
ADC作为当今测量仪器不可或缺的核心组成元件，其广泛应用于精密仪器、测试与测量、航空航天、通信等领域。频率响应是ADC的关键特性参数，当前ADC的幅频响应测试技术较为成熟，而相频响应测试技术还存在许多亟待解决的问题。ADC相频响应直接影响采集信号的实时性，进一步影响基于ADC的测量仪器性能，尤其对于实时运动控制、实时监测、惯性导航等领域，要求ADC采集信号的实时性越高越好。通过对ADC相频响应的测试，可实现ADC采集信号的延时修正或补偿，以减小ADC采集导致的测量误差。因此，对于ADC相频响应测试的方法研究具有十分重要的意义。
目前IEEE的ADC测试标准推荐使用输入阶跃信号实现ADC的相频响应测试，通过采集与处理阶跃信号下的ADC输出响应以实现其相频响应测试。具体测试原理为：采集足够长时间阶跃信号输入下的ADC输出响应，利用离散傅里叶变换(DFT)得到输出响应的相位谱，通过相位展开避免DFT变换相位包裹的不连续性，利用展开的连续相位谱实现ADC的相频响应测试。该测试方法能够实现一定频率范围内的ADC相频响应测试，但其会受到记录信号开始与记录阶跃信号转换时刻不同所引入的不确定时间延时的影响，且DFT变换耗时随输出响应采样点数的增加而明显增加。此外，该方法的最大测试频率不能超过ADC最大采样频率的一半。
因此，针对现有ADC相频响应测试的方法存在测试精度有限、测试频率范围有限等缺点，本发明提出一种具有测试精度高、速度快、频率范围宽、频率可高于ADC的最大采样频率、能够同时实现多通道测试的ADC相频响应测试方法。
发明内容
针对目前ADC相频响应测试的方法存在测试精度有限、测试频率范围有限等不足，本发明实施实例提供一种用于ADC相频响应测试的方法，包括：
模拟MLPF的降频转换时间延时测量：用于确定模拟MLPF对FM信号降频转换的时间延时，包括：基于PUSAM解调经HDO同时采集模拟MLPF降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号，通过解调得到的两FM信号的调制信号初相计算模拟MLPF的降频转换时间延时；
FM信号的有效采样频率选取：确定ADC采集高、低载波频率窄带宽FM信号所需的有效采样频率，以确保FM信号的有效频谱排列；
基于ADC的FM信号采集：利用ADC以有效采样频率同时采集模拟MLPF降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号；
ADC相频响应测试：基于PUSAM解调ADC采集的高、低载波频率窄带宽FM信号，并通过测量的模拟MLPF降频转换时间延时修正低载波频率FM信号的调制信号初相，利用修正后的两FM信号的调制信号初相计算ADC在高载波频率的相频响应。
本发明ADC相频响应测试的方法具有如下有益效果：
⑴本发明方法具有测试过程简单、多通道同时测试、测试频率范围宽、测试精度高、速度快的优点。
⑵本发明方法利用模拟MLPF与PUSAM实现ADC的相频响应测试，适用于不同类型与不同型号的ADC。
⑶本发明方法可实现频率高于ADC最大采样频率的信号采集与解调，以满足频率高于ADC最大采样频率的相频响应测试。
缩写说明
FSG：函数信号发生器，用于输出一定载波频率与带宽的调频信号；
MLPF：模拟混频器与低通滤波器，将高载波频率的调频信号转换为低载波频率的调频信号；
HDO：高分辨率示波器，用于调频信号的采集与储存；
PUSAM：相位展开正弦逼近法，用于获取调频信号的调制信号初相；
ADC：模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。
附图说明
附图1为一种用于ADC相频响应测试的方法原理框图；
附图2为本发明方法具体实施实例的ADC相频响应测试实验结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于ADC相频响应测试的方法，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述，以便于本领域技术人员能够更好的理解本发明测试方法。
参考图1为一种用于ADC相频响应测试的方法原理框图，主要包括以下步骤：
所述基于PUSAM解调经HDO同时采集模拟MLPF降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号的方法具体包括：
(1)模拟MLPF的FM信号降频转换；FSG输出载波频率为fc的窄带宽FM信号uH(t)，经模拟MLPF转换为低载波频率的FM信号uL(t)，HDO以满足Nyquist采样定理的采样频率采集的uH(t)与uL(t)如下：
其中，uH、及fc分别为高载波频率FM信号uH(t)的电压峰值、初相及载波频率；um、fm及分别为uH(t)的调制信号峰值、频率及初相；uL、分别为低载波频率FM信号uL(t)的电压峰值、初相，为uL(t)的调制信号初相，fLO为混频器(M)本振信号输入端的正弦信号频率；
(2)基于PUSAM的FM信号解调；HDO以满足Nyquist采样定理的采样频率同时采集uH(t)与uL(t)，利用数字正余弦正交基与低通滤波器实现HDO采集的uH(t)与uL(t)的正交化，经相位展开得到uH(t)与uL(t)正交化后的相位与
其中，fH与fL分别为uH(t)与uL(t)正交化的正交基频率，kπ为补偿相位，整数k＝0,1,2,…；利用正弦逼近法拟合与以获取uH(t)与uL(t)的调制信号，通过正弦逼近法拟合相位与
参数AH与BH决定uH(t)的调制信号峰值与初相，CH与DH为的载波频率与直流偏移系数；参数AL与BL决定uL(t)的调制信号峰值与初相，CL与DL为的载波频率与直流偏移系数；利用拟合得到的参数计算uH(t)与uL(t)的调制信号初相与如下：
(3)利用两FM信号uH(t)与uL(t)的调制信号初相与计算模拟MLPF的降频转换时间延时td为：
所述确定ADC采集高、低载波频率窄带宽FM信号所需的有效采样频率具体包括：
(4)当ADC最大采样频率高于uH(t)载波频率的两倍时，有效采样频率为ADC的最大采样频率；当ADC最大采样频率低于uH(t)载波频率的两倍时，基于带通采样定理的uH(t)无频谱混叠采集采样频率范围为：
uH(t)的带宽B如下：
B＝4πfmum (7)
n为取值不超过int[(fc-B/2)/B-1]的非负整数；由于fc远高于B，uH(t)可近似为频率为fc的余弦信号；随着n的增加，采样频率范围变窄，且采样频率变低；选择最高采样频率接近但低于ADC最大采样频率的采样频率范围，并引入保护带宽BGL与BGU，计算uH(t)的有效采样频率如下：
其中，ΔFs为整数n采样频率范围的最大频率变化量，BGU,max与BGL,max为该采样频率范围内uH(t)频谱的最大上、下限保护带宽。
所述ADC在频率fc的相频响应测试具体包括：
(5)ADC以有效采样频率Fs,e同时采集模拟MLPF降频转换前后的uH(t)与uL(t)，基于PUSAM解调ADC采集的uL(t)与uH(t)，分别得到uL(t)与uH(t)的调制信号初相为：
(6)利用步骤(3)测量的模拟MLPF降频转换时间延时修正uL(t)的调制信号初相修正后的初相为：
(7)通过uH(t)的调制信号初相与修正后uL(t)的调制信号初相计算ADC在频率fc的相频响应为：
其中，为ADC在频率fc的相频响应，fc可高于ADC的最大采样频率。
参考图2为本发明方法具体实施实例的ADC相频响应测试实验结果图。本实施实例装置的具体参数为：最大输出频率为200MHz的RIGOL函数信号发生器(FSG)DG4202，输入频率范围为0.5-500MHz的Mini-Circuits混频器(M)，截止频率为2.5MHz的Mini-Circuits低通滤波器(LPF)，最大采样频率与带宽均为1GHz的TELEDYNE高分辨率示波器(HDO)6104，最大采样频率为10MHz的ADLINKADC 9816。本次测试FSG输出FM信号的载波频率范围为2-99MHz，其带宽恒定约为5kHz，载波频率远高于其带宽。模拟MLPF降频转换后的FM信号载波频率恒定为0.2MHz，采集不同载波频率FM信号所选用的有效采样频率为10MHz。由测试结果可知，本发明测试方法实现了2-99MHz范围的ADC相频响应测试，其最大测试频率远高于ADC的最大采样频率。此外，对于不同类型与型号的ADC相频响应测试，模拟MLPF的降频转换时间延时只需首次测量。
上述详细描述为本发明方法的一个具体实施实例，以便于本发明领域内技术人员的理解，其并非用以限定本发明的应用范围。本领域相关技术人员可以在本发明的基础上可做出一系列的优化与改进、等同修改等。因此本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于ADC相频响应测试的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
基于PUSAM解调经HDO同时采集模拟MLPF降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号，通过解调得到的两FM信号的调制信号初相计算模拟MLPF的降频转换时间延时；
确定ADC采集高、低载波频率窄带宽FM信号所需的有效采样频率，以确保FM信号的有效频谱排列；
利用ADC以有效采样频率同时采集模拟MLPF降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号；
基于PUSAM解调ADC采集的高、低载波频率FM信号，并通过测量的模拟MLPF降频转换时间延时修正低载波频率FM信号的调制信号初相，利用修正后的两FM信号的调制信号初相计算ADC在高载波频率的相频响应。
2.根据权利要求1所述的用于ADC相频响应测试的方法，其特征在于，所述基于PUSAM解调经HDO同时采集模拟MLPF降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号的方法具体包括：
(1)模拟MLPF的FM信号降频转换；
利用函数信号发生器(FSG)输出特定载波频率窄带宽FM信号如下：
uH、及fc分别为uH(t)的电压峰值、初相及载波频率；um、fm及分别为FM信号uH(t)的调制信号峰值、频率及初相；uH(t)经模拟MLPF降频转换后为低载波频率FM信号：
其中，uL、分别为uL(t)的电压峰值、初相，为uL(t)的调制信号初相，fLO为混频器(M)本振信号输入端的正弦信号频率；
(2)基于PUSAM的FM信号解调；
HDO以满足Nyquist采样定理的采样频率同时采集uH(t)与uL(t)，利用数字正余弦正交基与低通滤波器实现已采集uH(t)与uL(t)的正交化，经相位展开得到uH(t)与uL(t)正交化后的相位与
其中，fH与fL分别为uH(t)与uL(t)正交化的正交基频率，kπ为补偿相位，整数k＝0,1,2,…；利用正弦逼近法拟合与以获取uH(t)与uL(t)的调制信号，正弦逼近法的拟合形式如下：
参数AH与BH决定uH(t)的调制信号峰值与初相，CH与DH为的载波频率与直流偏移系数；参数AL与BL决定uL(t)的调制信号峰值与初相，CL与DL为的载波频率与直流偏移系数；利用拟合得到的参数计算uH(t)与uL(t)的调制信号初相与如下：
。
3.根据权利要求2所述的用于ADC相频响应测试的方法，其特征在于，利用两FM信号的调制信号初相与计算模拟MLPF的降频转换时间延时td为：
。
4.根据权利要求1所述的用于ADC相频响应测试的方法，其特征在于，确定ADC采集高、低载波频率窄带宽FM信号所需的有效采样频率具体包括：
当ADC最大采样频率高于uH(t)载波频率的两倍时，有效采样频率为ADC的最大采样频率；当ADC最大采样频率低于uH(t)载波频率的两倍时，基于带通采样定理的uH(t)无频谱混叠采集采样频率范围为：
uH(t)的带宽B如下：
B＝4πfmum
n为取值不超过int[(fc-B/2)/B-1]的非负整数；由于fc远高于B，uH(t)可近似为频率为fc的余弦信号；随着n的增加，采样频率范围变窄，且采样频率变低；选择最高采样频率接近但低于ADC最大采样频率的采样频率范围，并引入保护带宽BGL与BGU，计算uH(t)的有效采样频率如下：
其中，ΔFs为整数n采样频率范围的最大频率变化量，BGU,max与BGL,max为该采样频率范围内uH(t)频谱的最大上、下限保护带宽。
5.根据权利要求1所述的用于ADC相频响应测试的方法，其特征在于，ADC以有效采样频率Fs,e采集模拟MLPF降频转换前后的uH(t)与uL(t)，基于PUSAM解调ADC采集的uL(t)与uH(t)，分别得到uL(t)与uH(t)的调制信号初相为：
其中，A1、B1及分别为uL(t)的调制信号参数及初相，A2、B2及分别为uH(t)的调制信号参数及初相；利用测量的模拟MLPF降频转换时间延时修正uL(t)的调制信号初相修正后的初相为：
。
6.根据权利要求5所述的用于ADC相频响应测试的方法，其特征在于，通过修正后uL(t)的调制信号初相与uH(t)的调制信号初相计算ADC在频率fc的相频响应如下：
其中，为ADC在频率fc的相频响应，且fc可高于ADC的最大采样频率。
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