JP2022117764A - A/dコンバータの試験装置および試験方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】A/Dコンバータを精度良く測定可能な測定技術を提供する。【解決手段】試験装置200は、サンプリングレートFSを有するA/Dコンバータ112を試験する。波形発生器210は、A/Dコンバータ112の入力に周波数FINを有する正弦波の試験信号STESTを供給する。インタフェース回路220は、A/Dコンバータ112から出力されるデジタル値を受信する。演算処理装置230は、インタフェース回路が受信した連続する2n個のデジタル値を含むデータ列に窓関数を適用して高速フーリエ変換し、スペクトルデータを生成する。波形発生器210において試験信号STESTの周波数FINは、離散的な複数の値の中から選択可能である。周波数FINは、FCOH=m×FS/2nで表されるコヒーレント周波数FCOHに近い値が選択される。【選択図】図1
Description
本開示は、A/Dコンバータの評価技術に関する。
デジタル信号処理を行うシステムにおけるキーデバイスのひとつとしてA/Dコンバータがある。A/Dコンバータの性能を表す指標として、SNR(Signal Noise Ratio、信号対雑音)やSINAD(SIgnal to Noise And Distortion ratio、信号対雑音+歪)が知られており、A/Dコンバータあるいはそれを組み込んだチップやシステムは、出荷前の検査工程において、SNRやSINADが測定される。
単一の周波数を有する正弦波の試験信号を利用したA/Dコンバータの試験手法について考察する。
A/Dコンバータに所定の周波数の正弦波のアナログの試験信号を入力すると、試験信号をサンプリングしたデジタル信号(波形データ)が得られる。このデジタルの波形データを、高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)によって周波数領域の情報(スペクトルデータ)に変換することで、信号強度と、ノイズフロアのレベルを得ることができる。
Walt Kester 、Taking the Mystery out of the Infamous Formula,、[online]、インターネット<URL:https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-001.pdf>
D'Antona, Gabriele, and A. Ferrero. "Digital Signal Processing for Measurement Systems", New York: Springer Media, 2006, pp. 70-72.
Gade, Svend, and Henrik Herlufsen. "Use of Weighting Functions in DFT/FFT Analysis (Part I)." Windows to FFT Analysis (Part I): Technical Review (ブリュエル・ケア). Vol. x, Number 3, 1987, pp. 1-28.
本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、A/Dコンバータを精度良く測定可能な測定技術の提供にある。
本開示のある態様は、A/Dコンバータの試験装置に関する。A/Dコンバータは、サンプリングレートFSを有している。試験装置は、A/Dコンバータの入力に周波数FINを有する正弦波の試験信号を供給する波形発生器と、A/Dコンバータから出力されるデジタル値を受信するインタフェース回路と、インタフェース回路が受信した連続する2n個のデジタル値を含むデータ列に窓関数を適用して高速フーリエ変換し、スペクトルデータを生成する演算処理装置と、を備える。波形発生器において試験信号の周波数FINは、離散的な複数の値の中から選択可能である。周波数FINは、
FCOH=m×FS/2n
で表されるコヒーレント周波数FCOHに近い値が選択される。
FCOH=m×FS/2n
で表されるコヒーレント周波数FCOHに近い値が選択される。
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本開示のある態様によれば、A/Dコンバータの測定精度を改善できる。
(実施形態の概要)
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態または複数の実施形態を指すものとして用いる場合がある。
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態または複数の実施形態を指すものとして用いる場合がある。
一実施形態は、A/Dコンバータの試験装置に関する。試験対象のA/Dコンバータは、サンプリングレートFSを有している。試験装置は、A/Dコンバータの入力に周波数FINを有する正弦波の試験信号を供給する波形発生器と、A/Dコンバータから出力されるデジタル値を受信するインタフェース回路と、インタフェース回路が受信した連続する2n個のデジタル値を含むデータ列に窓関数を適用して高速フーリエ変換し、スペクトルデータを生成する演算処理装置と、を備える。波形発生器において試験信号の周波数FINは、離散的な複数の値の中から選択可能である。
本発明者らは、周波数FINの正弦波を、あるサンプリング周波数FSでサンプリングし、窓関数を適用して高速フーリエ変換すると、その結果得られるスペクトルデータのフロアレベルが、正弦波の周波数FINに依存して大きく変化することを認識するに至った。より詳しい検討の結果、周波数FINが、
FCOH=m×FS/2n
で表されるコヒーレント周波数FCOHであるときに、フロアレベルは極小となり、コヒーレント周波数fCOHから離れるに従って、フロアレベルが上昇することを認識した。
FCOH=m×FS/2n
で表されるコヒーレント周波数FCOHであるときに、フロアレベルは極小となり、コヒーレント周波数fCOHから離れるに従って、フロアレベルが上昇することを認識した。
この認識にもとづいて、一実施形態では、A/Dコンバータに与える試験信号の周波数FINは、コヒーレント周波数FCOHに近い値が選択される。近い値とは、最近接値が好ましいがそれに限定されない。
これにより、スペクトルデータのフロアレベルを低下させることができ、SNRやSINADなどの特性を精度良く測定することが可能となる。
A/Dコンバータの量子化ビット数がNqであるとき、-6.02・Nq-1.76-10・log(2n/2)を理想フロアレベルとする。周波数FINの理想正弦波を、サンプリング周波数FSで量子化したサンプル数が2nのデータ列を用意し、このデータ列を窓関数を伴う高速フーリエ変換して得られるFFTスペクトルのスペクトルリークが、理想フロアレベルより低くなるように、周波数FINを定めてもよい。6.02は、ビットをデジベルに変換する係数20log10(2)であり、1.76は理想的なA/Dコンバータの量子化誤差を表す。
一実施形態において、試験対象のA/Dコンバータのビット数は、11以上であってもよい。A/Dコンバータのビット数が大きいほど、窓関数の適用に起因するスペクトルリークの影響が大きくなり、本開示に係る技術の優位性が高まる。
一実施形態において、A/Dコンバータの量子化ビット数Nqは12ビットであり、FINとFCOHの誤差は、15Hz以下であってもよい。
一実施形態において、A/Dコンバータの量子化ビット数Nqは14ビットであり、FINとFCOHの誤差は、±3.5Hz以下であってもよい。
(実施の形態)
以下、好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
以下、好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図1は、実施の形態に係る試験システム100のブロック図である。試験システム100は、被試験デバイス(DUT)110と、試験装置200を備える。DUT110は、A/Dコンバータ112を含んでいる。DUT110は、A/Dコンバータ単体のIC(Integrated Circuit)であってもよいし、マイクロコントローラなど、A/Dコンバータを内蔵するICであってもよい。
A/Dコンバータ112は、フラッシュ型、パイプライン型、逐次比較(SAR)型のいずれかであり、入力ピンINに入力されたアナログ信号を、所定のサンプリングレートFSでサンプリングしてデジタル信号に変換する。A/Dコンバータ112はシングルエンド入力であってもよいし、差動入力であってもよい。A/Dコンバータ112の量子化ビット数をNq(Nq≧2)とする。たとえば量子化ビット数Nqは12であり、あるいはそれより大きい、13あるいは14であってもよく、さらに大きくてもよい。
DUT110は、A/Dコンバータ112の出力を、出力端子OUTから外部に出力するためのインタフェース回路114をさらに備えてもよい。
試験装置200は、DUT110(A/Dコンバータ112)にアナログの試験信号STESTを供給し、DUT110の出力を処理し、DUT110の特性を評価し、あるいはその良否を判定する。
試験装置200は、波形発生器210、インタフェース回路220、演算処理装置230を備える。
波形発生器210は、周波数FINを有する正弦波の試験信号STESTを生成し、A/Dコンバータ112の入力端子INに供給する。その限りではないが、波形発生器210は、任意波形発生器(AWG)を用いることができる。波形発生器210が生成可能な正弦波の周波数FINは、任意に選ぶことができるわけではなく、離散的な複数の周波数から選択可能となっている。これは波形発生器210がD/Aコンバータを含んで構成されるところ、D/Aコンバータの動作周波数が自由に設定できないことに起因している。
インタフェース回路220は、A/Dコンバータ112が生成するデジタル値を、インタフェース回路114を経由して受信する。
演算処理装置230は、インタフェース回路220が受信した連続する2n個のデジタル値を含むデータ列を取得する。そしてこのデータ列に窓関数を適用して高速フーリエ変換(FFT)し、スペクトルデータを生成する。窓関数の種類は、ハニングウィンドウ、ハミングウィンドウ、ブラックマンウィンドウ、フラットトップウィンドウなどが例示されるが、試験信号STESTとして周期信号(正弦波)を用いる場合、フラットトップウィンドウが好適である。
データ列を構成するデジタル値の個数2nは、たとえば512(n=9)、1024(n=10)、2048(n=11)、4096(n=12)、8192(n=13)などを用いることができる。
以上が試験システム100の基本的な構成である。
続いて、本発明者らが行った本開示に係る技術のもととなった検証について説明する。
はじめに、スペクトルリーク(サイドローブ)の入力周波数FINの依存性を調べた。ここではサンプリングレートFS=1Msps(samples per second)、データ数を212=4096としている。FFTには、窓関数としてフラットトップウィンドウを用いるものとする。
図2は、複数の入力周波数FINに対応するFFTスペクトルを示す図である。周波数FINの理想正弦波を、サンプリング周波数FSで量子化(時間軸方向に離散化)したサンプル数が2nのデータ列を用意する。このデータ列は、32ビット浮動小数点などで表されてもよい。このデータ列を、窓関数を伴う高速フーリエ変換することで、図2のFFTスペクトルが得られる。図2には、入力周波数FINが、99.609kHz、99.97kHz、99.854kHz、100.098kHz、100.318kHz、100.342kHのときのFFTスペクトルが示される。窓関数を適用している場合であっても、サイドローブのレベルは、入力周波数FINに依存して大きく変化している。
入力周波数FINを含むメインローブの両側に存在するサイドバンドに対応する周波数帯域に含まれるエネルギーを、スペクトルリークと定義する。ここでは、入力周波数FINの±5binをメインローブとし、メインローブよりも高周波数側の100binの範囲およびメインローブよりも低周波数側の100binの範囲のエネルギーをスペクトルリークとしている。図3は、スペクトルリークの入力周波数FINの依存性を示す図である。
横軸は入力周波数FINであり、99.5kHz~100.5kHzの範囲で、0.001kHzステップで変化させている。縦軸はスペクトルリークを示す。スペクトルリークの計算に際して、FFTスペクトルのノイズフロアにあわせるために、計算値から、200bin(±100bin)に対応して、10log10(200/2)を減算している。
99.609kHz、99.854kHz、100.098kHz、100.342kHzにおいてディップが生じており、スペクトルリークが小さくなり、そこから離れるほど、スペクトルリークが大きくなることが分かる。
本発明者は、これらの離散的な周波数99.609kHz、99.854kHz、100.098kHz、100.342kHzが、コヒーレント周波数FCOHに近接していることを認識した。
図4は、コヒーレント周波数を説明する図である。コヒーレント周波数FCOHは、データ列としてキャプチャする期間TCAPに、試験信号STESTの整数m倍の波形が含まれるような周波数である。図4では、m=10である。
サンプリングレートFSで、2n個のデジタル値をキャプチャする場合、キャプチャ期間TCAPは、2n/FSである。このキャプチャ期間TCAPの間に、m周期分の正弦波が含まれるとき、その正弦波の周波数がコヒーレント周波数FCOHとなる。したがってコヒーレント周波数FCOHは、
FCOH=m×FS/2n
で表される。
FCOH=m×FS/2n
で表される。
サンプリングレートFS=1Msps(samples per second)、データ数4096の場合、コヒーレント周波数FCOHは以下の値をとる。
FCOH= 99.609375kHz (m=408)
FCOH= 99.8535kHz (m=409)
FCOH=100.097656kHz (m=410)
FCOH=100.341797kHz (m=411)
これらのコヒーレント周波数は、図3におけるディップの周波数と一致している。
FCOH= 99.609375kHz (m=408)
FCOH= 99.8535kHz (m=409)
FCOH=100.097656kHz (m=410)
FCOH=100.341797kHz (m=411)
これらのコヒーレント周波数は、図3におけるディップの周波数と一致している。
図5は、SINADの入力周波数FINの依存性を示す図である。図5には、12ビットの理論フロアレベル(-74dB)を示している。SINADも、スペクトルリークと同様に、コヒーレント周波数において最小値をとり、そこから離れるにしたがって悪化することが分かる。
図6は、スペクトルリークとSINADと重ねて示した図である。図6には、12ビット、14ビット、16ビットに対応する理想FFTフロアレベルFLidealが示される。理想FFTフロアレベルは、式(1)で表される。
FLideal=-6.02・Nq-1.76-10・log(2n/2) …(1)
FLideal=-6.02・Nq-1.76-10・log(2n/2) …(1)
図1に戻る。窓関数には周波数応答性があり、A/Dコンバータのダイナミック測定時に窓関数を用いる場合、周波数FINは、波形発生器210において設定可能な複数の値の中から、コヒーレント周波数FCOHに近い値が選択される。
周波数FINは、コヒーレント周波数FCOHに近ければ近いほど、測定精度は改善されるが、波形発生器210の仕様によって、周波数FINの選択は制約を受ける。そこで理想正弦波を高速フーリエ変換した際のスペクトルリークが、理想FFTフロアレベルより低い周波数を使うことで、SNRおよびSINADを、スペクトルリークが少ない状態で測定できる。
スペクトルリークが理想FFTフロアレベルより低い周波数範囲は、コヒーレント周波数を中心に幅を持っている。この幅は、12ビットの場合、コヒーレント周波数を中心とする±19Hzであり、14ビットの場合、コヒーレント周波数を中心とする±5Hzであり、16ビットの場合、コヒーレント周波数を中心とする±1Hzである。したがって、周波数FINは、この周波数範囲内で選ぶとよい。
以上が試験装置200の構成である。この試験装置200によれば、スペクトルリークの影響を小さくし、A/DコンバータのSNRやSINADなどの特性を評価する際の精度を高めることができる。
図7は、スペクトルリークの入力周波数FINの依存性を示す図である。ここではサンプリング周波数FSが0.8MHzと1.2MHzのときの計算結果が示される。これらのサンプリング周波数FSにおいても、コヒーレント周波数FCOHにおいてスペクトルリークが極小となることが分かる。なお、FS=0.8MHz、12ビットの場合、入力周波数FINを、コヒーレント周波数を中心とする±15Hzに定めれば、スペクトルリークは理想フロアレベルより小さくなる。FS=0.8MHz、14ビットの場合、入力周波数FINを、コヒーレント周波数を中心とする±3.5Hzに定めれば、スペクトルリークは理想フロアレベルより小さくなる。FS=0.8MHz、16ビットの場合、入力周波数FINを、コヒーレント周波数を中心とする±0.5Hzに定めれば、スペクトルリークは理想フロアレベルより小さくなる。
図8は、スペクトルリークの入力周波数FINの依存性を示す図である。ここではFS=1MHzとして、高速フーリエ変換を行うデータ列のポイント数を、2048,4096,8192と変化させている。ポイント数を変更する可能性がある場合には、入力周波数FINを少ないポイント数(たとえば2048)におけるコヒーレント周波数FCOHの近傍に設定しておくことで、多いポイント数(4096,8192)に変更した場合に、入力周波数FINを変更する必要がない。
実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
100…試験システム、110…DUT、112…A/Dコンバータ、114…インタフェース回路、200…試験装置、210…波形発生器、220…インタフェース回路、230…演算処理装置。
Claims (9)
- サンプリングレートFSを有するA/Dコンバータの試験装置であって、
前記A/Dコンバータの入力に周波数FINを有する正弦波の試験信号を供給する波形発生器と、
前記A/Dコンバータから出力されるデジタル値を受信するインタフェース回路と、
前記インタフェース回路が受信した連続する2n個の前記デジタル値を含むデータ列に窓関数を適用して高速フーリエ変換し、スペクトルデータを生成する演算処理装置と、
を備え、
前記波形発生器において前記試験信号の周波数FINは、離散的な複数の値の中から選択可能であり、前記周波数FINは、
FCOH=m×FS/2n
で表されるコヒーレント周波数FCOHに近い値が選択されることを特徴とする試験装置。 - 前記A/Dコンバータの量子化ビット数がNqであるとき、-6.02・Nq-1.76-10・log(2n/2)を理想フロアレベルとし、
前記周波数FINの理想正弦波を、サンプリング周波数FSで量子化したサンプル数が2nのデータ列を、窓関数を伴う高速フーリエ変換して得られるスペクトルのスペクトルリークが、前記理想フロアレベルより低くなるように、前記周波数FINが定められることを特徴とする請求項1に記載の試験装置。 - 前記A/Dコンバータの量子化ビット数は、11以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の試験装置。
- 前記A/Dコンバータの量子化ビット数は12ビットであり、FINとFCOHの誤差は、15Hz以下であることを特徴とする特徴とする請求項1または2に記載の試験装置。
- 前記A/Dコンバータの量子化ビット数は14ビットであり、FINとFCOHの誤差は、±3.5Hz以下であることを特徴とする特徴とする請求項1または2に記載の試験装置。
- サンプリングレートFSを有するA/Dコンバータの試験方法であって、
波形発生器によって、前記A/Dコンバータの入力に周波数FINを有する正弦波の試験信号を供給するステップと、
前記A/Dコンバータから出力される連続する2n個のデジタル値を含むデータ列に窓関数を適用して高速フーリエ変換し、スペクトルデータを生成するステップと、
を備え、
前記波形発生器において前記試験信号の周波数FINは、離散的な複数の値の中から選択可能であり、前記周波数FINは、
FCOH=m×FS/2n
で表されるコヒーレント周波数FCOHに近い値が選択されることを特徴とする試験方法。 - 前記A/Dコンバータの量子化ビット数がNqであるとき、-6.02・Nq-1.76-10・log(2n/2)を理想フロアレベルとし、
前記周波数FINの理想正弦波を、サンプリング周波数FSで量子化したサンプル数が2nのデータ列を、窓関数を伴う高速フーリエ変換して得られるスペクトルのスペクトルリークが、前記理想フロアレベルより低くなるように、前記周波数FINが定められることを特徴とする請求項6に記載の試験方法。 - 前記A/Dコンバータの量子化ビット数は、12以上であることを特徴とする請求項6または7に記載の試験方法。
- 前記A/Dコンバータの量子化ビット数は12ビットであり、FINとFCOHの誤差は、15Hz以下であることを特徴とする特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の試験方法。
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