HPM6750 MCU片内16位ADC精度测试
本文导读
ADC的主要参数指标分为静态参数和动态参数两类，基于这两类指标，本文将对先楫半导体HPM6750 MCU片内16位ADC的精度进行全面测试，一起看看结果怎么样。
ADC参数测试原理
1、ADC参数
国内16位SAR型ADC芯片目前较少，MCU内置16位SAR型ADC的则更少。如何衡量ADC的性能，参考S*公司带有16位ADC的MCU芯片S**32H750手册，分为静态参数、动态参数两部分，如表 1.1、表 1.2所示。
静态参数主要有差分非线性（DNL）、积分非线性（INL），衡量ADC测量直流及低频信号时的性能。
表 1.1 ADC的静态参数（S**32H750）
动态参数主要有有效位数（ENOB）、信噪失真比（SINAD）、信噪比（SNR）、总谐波失真（THD），衡量ADC测量交流动态信号时的性能，例如测试1KHz正弦波。
表 1.2 ADC的动态参数（S**32H750）
1.2 IEEE1241标准
IEEE1241对ADC器件的指标参数和测试方法进行定义，是一种为ADC器件厂家制定的标准。ADI和TI等厂家的独立ADC芯片、MCU厂家的片内ADC，均遵循该标准的方法，进行静态参数和动态参数的测试。 IEEE1241于2000年发布，较新的版本为IEEE1241-2010。ADC测试评估的主要任务是确定其电压传输关系，理想情况下输入电压与ADC输出代码中点的传输关系是一条直线，每个输出代码的宽度相同。实际的电压传输关系不同于理想情况，IEEE1241标准给出了几种可选的测试步骤和方法。一种方法是使用斜坡电压信号，通过复杂的伺服环路系统，使用比被测ADC分辨率高得多的DAC，精确步进，得到被测ADC各个LSB的实际跳变电压。 另一种方法是使用正弦波信号，该信号必须具有比被测ADC预期信噪失真比（SINAD）至少高20 dB的总谐波失真和噪声。例如，一个理想16位ADC具有98dB的信噪比（SNR），假设没有失真，那么SINAD就为98dB。要想对该ADC进行测试，要求使用一个-118dB以上THD+N的正弦波信号。该低失真正弦信号，可以通过多阶带通滤波器实现，硬件相对简单。因此使用正弦波信号，是目前主要的ADC测试方法。
EEE1241标准的各章节中，给出了基于正弦波信号和统计直方图，实现静态参数DNL、INL，动态参数ENOB、SINAD、SNR、THD的测试方法和计算公式。
【6.4节】给出ADC电压传输关系的测试方法。使用一个幅度稍微超过ADC测量范围的纯正正弦波，输入到ADC，获取多个连续的采样数据并统计直方图，由公式（27）计算电压传输关系。
其中，T[k]是第k个二进制代码对应的电压值，Hc[k-1]是累计直方图，S是总采样点数。该节还给出了正弦波频率和ADC采样频率的选择，每次采集的数据点数，总的采集数据点数，正弦波幅度过载量要求。 【7.4.1节】给出增益误差G、失调电压Vos的测试方法和计算公式，基于对T[k]的最小二乘法拟合。
【8.2节】给出积分非线性INL的测试方法。测量值T[k]校正增益和失调误差之后，与理想值Tnom[k]相减，它们的差值代入公式（40），计算输出码k处的积分非线性ε[k]。
由公式（40）将LSB单位的INL，换算成百分比形式。
【8.4节】给出差分非线性DNL的测试方法，由公式（43）计算。当DNL[k]＜0.9时，输出码k被定义为缺失码（missing code）。
【8.8节】给出总谐波失真THD的测试方法。ADC 对周期信号进行采样时，动态误差和积分非线性都会导致谐波失真，总谐波失真用于量化此类影响。总谐波是指一组目标谐波分量的均方根值（二次、三次等）与所施加信号均方根值的比值，由公式（50）计算。
该节给出了目标谐波的次数要求，由输入正弦波的最低9个谐波组成，包括第2次到第10次。用于计算的采样数据中，应该包含整数个输入正弦波周期，以最小化频谱泄漏，例如10个整周期。
【9.2~9.4节】给出SINAD、SNR、ENOB的测试方法。将指定频率和幅度的纯正正弦波输入到ADC，首选幅度接近满量程的大信号，但是不能出现削波（例如95%FS信号）。首先计算噪声和失真NAD，通过计算测量数据波形的DFT频谱，从频谱中删除直流和测试频率处的分量后，所有剩余傅立叶分量的和方根是NAD，由公式（67）计算。
通过将NAD和Arms代入公式（66），计算SINAD。
通过将NAD、Arm、THD代入公式（69）和（68），计算SNR。
通过将NAD代入公式（70），计算ENOB。其中εQ是理想的量化误差rms值，等于LSB/√12。
根据IEEE1241标准的以上计算过程和公式，编写科学计算软件代码，可以实现各参数的测量。
测试环境搭建
2.1 硬件框图
ADC测试的硬件由正弦波信号源、HPM6750测试板、USB转TTL线、U盘等组成，如图 2.1所示。正弦波信号源通过SMA连接线，连到HPM6750测试板。
图 2.1 测试环境硬件框图
静态参数测试时，需要大量采样数据，采样数据先存储在HPM6750测试板的内存中，之后多份采样数据存储到U盘中。动态参数测试时，需要的采样数据较少，采集完成之后直接通过HPM6750的UART打印，由TTL转USB线传输到电脑进行计算。
电脑上需要的软件工具如表 2.1所示。
表 2.1 测试所需的软件工具
2.2 正弦波信号源
用于测试的正弦波信号需要具有比被测ADC预期信噪失真比（SINAD）高20 dB左右的总谐波失真和噪声。一个理想16位ADC具有98dB的信噪比（SNR），如果没有失真，SINAD为98dB。因此，需要一个-118dB以上THD+N的正弦波信号对16位ADC进行测试。
本测试使用TI 的PSIEVM精密信号注入器，板上有8阶带通滤波器生成低失真正弦波，THD参数为-123dB，以符合测试要求。PSIEVM板如图 2.2所示，它的正弦波输出频率固定为2KHz，输出幅度和直流偏移电压可调，配套有PC端的GUI界面进行设置。
图 2.2 正弦波信号源PSIEVM板
需要注意PSIEVM板的输出阻抗，需要手工改成50Ω。
2.3 外围电路要求
HPM6750片内ADC的外围电路设计，对保证ADC的信噪比，至关重要。SAR型ADC可以等效理解为一个多输入端口的比较器，vwin 电源AVDD、基准输入VREFH、接地平面、输入通道上的噪声直接影响ADC输出代码的跳动。 本测试使用专用的HPM6750测试板，如图 2.3。
图 2.3 HPM6750测试板 HPM6750测试板的ADC外围电路处理方式如下文所述，硬件设计时建议参考处理。 【模拟电源AVDD】通过LDO从数字电源5V获得低噪声模拟电源。需要注意LDO的电源抑制比在10kHz及以上频率时下降，导致高频纹波和尖峰噪声仍可以传导至LDO输出。建议在LDO之前加入10Ω左右电阻和磁珠与输入端10uF左右电容，形成低通滤波，滤除高频纹波与尖峰噪声。 【基准VREFH】基准电路设计包括两部分：电容选取、基准噪声。VREFH管脚位置的大电容是片内SAR型ADC的一部分，此类ADC基于开关电容电荷重新分配原理，在确定输出代码LSB过程中，需要从VREFH管脚获得瞬态电荷。例如，使用了两个10uF的X5R材质低ESR陶瓷电容和104电容并联，并且在PCB布局时以尽量短的走线和覆铜连接到VREFH管脚，电容的接地焊盘需要就进放置多个过孔至PCB接地平面，以降低连接阻抗。 基准的噪声需要选择低噪声基准。例如，使用了低成本的AZ432搭建3.1V基准，低频噪声10uVpp，典型温漂20ppm。对温漂有更高要求时，可以选用TPR3525，低频噪声50uVpp，典型温漂10ppm。 【接地平面】AGND和VREHL管脚需要就近放置过孔，连接到接地平面。PCB布局时需要把模拟器件、数字器件分区域放置，引导数字信号的开关电流不流经模拟电路的低平面，以避免串入数字开关噪声。详细地平面设计说明参考资料[6]。 【输入通道】需要注意，本测试中输入通道不能有普通电容，普通电容的容量随输入电压变化，使得低通截止频率变化，会引入明显失真。正常使用时，输入通道需要限制信号带宽，例如加入RC低通滤波，限制宽带噪声。
使用以上处理，HPM6750测试板的测试数据详见5.1节的表5.1。
静态参数测试
3.1 测试条件
使用正弦波输入信号，基于概率密度原理和累计直方图测试DNL、INL。当输入信号是理想正弦波时，ADC以固定频率采集，所输出数字代码的出现概率，理论上为固定值，如图 3.1所示。出现概率通过某一数字代码的出现次数，除以总采样点数计算。各个输出数字代码的测试出现概率，与理想出现概率之间的差值，是这个代码的宽度误差。统计最大宽度误差，得到差分非线性DNL。得到DNL之后，DNL的累计误差是积分非线性INL。
图 3.1 正弦波输入时的ADC输出代码直方图
图 3.1的直方图高度非线性，不能直接计算，通过累计直方图实现积分计算，可以实现直方图线性化（参考资料[3]）。IEEE1241标准6.4、7.4、8.2、8.4节，给出了以上基于正弦波信号和概率密度直方图方法的计算过程、公式、及测试条件。
结合IEEE1241中6.4节要求，本测试实际使用测试条件设置如图 3.1所示。
表 3.1 静态参数测试条件
【输入信号幅度】IEEE1241的6.4节描述，输入信号幅度需要轻微超出ADC测量范围，过载量根据输入噪声而定。因为在输入正弦波的波峰、波谷位置，ADC两个临近输出代码对应的输入电压差小，容易受噪声影响。本测试中，选用10%过载量，根据ADC输入范围0~3.1V，PSIEVM输出正弦波幅度设置为-0.3~3.4V，offset设置为1.55V。 【ADC采样速率】IEEE1241的6.4.1节描述，采样速率和输入信号频率必须互为质数，实现均匀遍历到所有的ADC输出代码。本测试中，输入正弦波频率2KHz，采样速率664Ksps，每个周期获得332个采样点，具有332个不同输出代码，通过小数位频率和大量采样点，实现均匀遍历所有的输出代码。 【采样点数】IEEE1241的6.4.1节描述，每一次采集的连续采样点数，包含整数个输入信号周期。这样保证每次的采样点在0~2π的相位上均匀分布。因为会使得多次采集的数据进行拼接时，输出代码的出现概率均匀分布。本测试中，每次采样点数约120K。 IEEE1241的6.4.3节描述，根据概率密度进行测试时，样本数量与测试精度、置信度的计算公式。本测试中使用大约30M采样点进行计算，存储在U盘中。
3.2 测试步骤
静态参数测试时，单次的连续采样数据，MCU先存储在HPM6750测试板的内存中，然后顺序存到U盘中，将多份采样数据拼接成几十兆采样点的数据记录文件，用于参数计算。测试的步骤如下。
(1) PC上位机设定正弦波信号源PSIEVM的频率频率、幅度、失调，使能输出；
(2) Segger Embedded Studio环境中启动ADC采集数据，并存储到U盘；
(3) U盘中的数据记录文件复制到电脑，数据文件的路径写入科学计算软件；
(4) 运行科学计算软件代码计算DNL、INL；
(5) 查看科学计算软件输出的图表和数据。
3.3 测试数据
本测试中从U盘读取的33M采样数据文件大小为128MB，导入科学计算软件获得的输出代码直方图如图 3.2所示，其中横轴X为ADC的输出代码值，纵轴Y为该代码的出现次数，以对数坐标显示。可以看到图 3.2包含了0~65535个输出代码，符合16位ADC的输出代码个数。
图 3.2 采样数据直方图
3.3.1 DNL
采样数据通过科学计算软件计算得到的DNL，如图 3.3所示，DNL最大值为+1.1~-0.92LSB。
图 3.3 DNL测试数据
3.3.2 INL
采样数据通过科学计算软件计算得到的INL，如图 3.4所示，INL最大值为+4~-4.2LSB。
图 3.4 INL测试数据
3.3.3 小结
根据以上测试数据，HPM6750片内16位ADC测得DNL为+1.1/-0.92LSB，INL为+4/-4.2LSB。
动态参数测试
4.1 测试条件
使用正弦波输入信号，基于FFT频谱分析，从频谱成分计算出SINAD、ENOB、SNR、THD参数。将噪声和谐波成分等效到ADC输入端，根据理想ADC的信噪比公式，可以得到有效位数ENOB。IEEE1241的9.2~9.4节，描述基于FFT方法的ENOB等参数计算过程、公式、及测试条件。
结合IEEE1241要求，本测试实际使用测试条件设置如表 1.1所示。
表 4.1 动态参数测试条件
【输入信号幅度】IEEE1241的9.2.3节描述，输入信号幅度接近ADC的满量程，但是不能出现削波。因为信噪比SNR和失真THD直接和输入信号幅值相关，但是幅度过大，接近削波时，将出现明显失真。本测试中选用93%FS，根据ADC输入范围0~3.1V，PSIEVM输出正弦波幅度设置为0.0775~3.0225V，offset设置为1.55V。 【采样速率】IEEE1241的9.3节描述，可选相干采样，或非相干采样加窗。本测试中选用后者，为了衡量ADC性能，采样速率选用最高值2MSPS。 【采样点数】IEEE1241的9.4.3节描述，采样点数增加时，随机噪声对正弦波测试结果的影响降低，可重复性更好。采样点数不应过多，以免正弦波信号源或ADC时钟信号中的频率漂移或相位噪声影响结果。本测试中选用20个整周波采样点数，即20K samples。
4.2 测试步骤
动态参数测试时，采样数据需要较少，ADC采集20个输入信号周期的连续数据，采集完成之后通过HPM6750的UART打印，通过TTL转USB线传输到电脑进行计算。
(1) PC上位机设定正弦波信号源PSIEVM的频率频率、幅度、失调，使能输出；
(2) Segger Embedded Studio环境中启动ADC采集数据，并通过UART打印；
(3) 采样数据文件的路径写入科学计算软件；
(4) 运行科学计算软件代码计算ENOB等参数；
(5) 查看科学计算软件输出的图表和数据。
4.3 测试数据
本测试中从UART打印20K点数据，导入科学计算软件看到的原始数据波形如图 4.1所示，可以看到波形幅值接近满量程。
图 4.1 动态参数测试数据的原始波形
4.4 ENOB、SINAD、SNR、THD
通过科学计算软件计算输出的频谱如图 4.2，蓝色是输入信号，红色是谐波，黑色是噪声。
图 4.2 动态参数测试数据的频谱
通过科学计算软件计算输出的动态参数值如表 4.2。需要注意动态参数测试与噪声相关，容易受干扰，需参考2.3节的描述仔细设计ADC外围电路。
表 4.2 动态参数测试数据
HPM6750片内16位ADC的采样速率最高可以设置至4MSPS，这种情况下的动态参数测试值如表 4.3。可以看到，ENOB等参数有一定幅度下降，需要更高采样速率而不是更高精度时，可以选择使用该设置。
表 4.3 动态参数测试数据（4MSPS）
4.5 小结
根据以上测试数据，HPM6750片内16位ADC在2MSPS最高采样速率下，测得ENOB为12.1位，SINAD为74.6dB，SNR为74.7dB，THD为-88.9dB。
采样速率最高可支持至4MSPS，测得ENOB为11位。
测试总结
5.1 实测参数与手册参数对比
汇总以上测试数据，HPM6750片内16位ADC的静态参数和动态参数如表 5.1所示。表中与HPM6750手册中的参数进行了对比，可以看到实测参数基本与手册符合。
表 5.1 实测参数与手册参数
如下表，静态参数部分与国外领先厂家的同类型SOC片内16位ADC参数进行对比。HPM6750的静态参数较好，DNL优于对比型号。INL约为±4LSB，优于S**32H750，与Lxx553x接近。
表 5.2 与国外厂家的静态参数对比
如下表，动态参数部分与国外领先厂家的同类型SOC片内16位ADC参数进行对比。HPM6750的动态参数与对比型号基本在同一水平，ENOB为12.1位，S**32H750为12.2位，Lxx553x为11.8位。
表 5.3 与国外厂家的动态参数对比
通过以上对比，HPM6750片内16位ADC的实测数据具有与同类型号S**32H750、Lxx553x几乎等同的性能，ENOB有效位数为12位，INL较好约±4LSB。
5.2 有效位数的区别
对于高分辨率ADC，关注实际能做到多少位，但是大部分情况下不具备搭建IEEE1421中正弦波测试环境的条件，测试有效位数ENOB。通常使用测量DC电压的方式，统计输出数据不跳动的位数，检查ADC的无噪声分辨率NFR。需要区分无噪声分辨率NFR，不等同于手册中的有效位数ENOB。NFR是测量直流或低频信号时，所关注的不跳动位数，而ENOB是测量交流动态信号关注的有效位数。NFR测量的是噪声的峰峰值，但没有包括ADC的非线性，ENOB测量的是噪声的均方值，还包括了ADC的非线性。高速ADC的手册中通常只标注动态参数ENOB，没有标注NFR，但是在ADC的非线性远小于噪声的峰峰值的情况下，可以从动态参数ENOB，估算能够获得的NFR。 【无噪声分辨率NFR的测试方法及计算】无噪声分辨率衡量ADC能够测量到最小直流信号，测试方法：输入端接地，或连接到一个通过大电容深度去耦低噪声的直流电压，然后采集大量采样点，并将其表示为直方图。外围电路设计良好时，等效到ADC输入端的噪声为白噪声，直方图呈正态分布。直方图的代码分布个数，表示峰峰值噪声，对应无噪声分辨率。 【有效位数ENOB的测试方法及计算】有效位数衡量ADC能够测量到的最小交流信号。测试方法：输入正弦信号，对采样数据进行FFT分析，计算所有噪声（包括量化噪声）和失真项的和方根值SINAD，并等效为ADC输入噪声，代替SNR，根据理想N位ADC的理论SNR公式，换算位数N。
SNR = 6.02N + 1.76dB
【通过ENOB估算NFR】根据参考资料[5]，针对交流输入信号的ENOB，与直流低频信号的无噪声分辨率NFR，有如下的换算关系：
ENOB = NFR+0.92
对于直流低频信号，ADC的ENOB约比NFR大1位（0.92位）。但是以上计算过程，没有考虑ADC非线性，外围电路噪声、以及输入信号噪声影响，是理想情况下能获得的无噪声分辨率NFR。实际电路中，NFR与外围电路直接相关，ADC外围AVDD管脚、VFEFH管脚、接地平面，以及直流输入信号自身的噪声，均会直接影响ADC输出代码跳动，需要仔细设计外围电路和PCB（参考资料[6]），才能获得预期的无噪声分辨率。 测量直流低频信号时，除了硬件措施，对高速ADC输出代码做数字平均滤波，是提高无噪声分辨率的有效方法。HPM6750片内16位ADC，做数字平均之后的无噪声分辨率如表 5.4所示。被测的信号是一节1.5V干电池，可以看到平均4次之后，NFR为11位以上；平均32次之后，NFR为12位以上。
表 5.4 HPM6750数字平均之后的无噪声分辨率
审核编辑 ：李倩
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