整合ADC的一種簡易測試方法

作者 : Steve Hageman,Embedded.com特約作者

如果有一個快速設置振盪器,具有2.5~±10V的多路輸出,這樣就可以實現一個通用ADC測試平台,可快速測量任何16位元精準度的ADC…

幾年前曾需要一個快速、低頻且失真極低的源來測試板載微控制器(MCU) ADC,看它是否接近資料手冊提供的有效位數(ENOB)和線性度。

凌力爾特(Linear Technology,現屬ADI)的設計失真度很低,不過設計有些複雜,對於那時的需求來說,似乎有點大材小用。最後,基於Hein van den Heuvel的電路,建構了一個經典的、三運算放大器、狀態變數振盪器,並用一小粒小麥燈泡(grain-of-wheat light bulb)作為振幅穩定電路。

筆者對電路中運算放大器的各級負載擺弄了一天,成功地將諧波失真產物降至-95dBc以下,滿足了當時的需求。雖然可以建構離散式振盪器電路,但它很繁瑣。還存在溫度問題,如幅度漂移、頻率漂移、啟動和穩定時間等。同樣,我認為將來如果有一個快速設置振盪器,具有2.5~±10V的多路輸出,這樣就可以實現一個通用ADC測試平台,可快速測量任何16位元精準度的ADC。

通用ADC測試平台

該測試平台如果採用類比方案,實施起來太慢了,這讓我想起不知道專業音訊分析儀的源是如何實現的?我想要不是建構精密的離散式DDS,要不就是使用高解析度I2S音訊DAC。

然後,開始瀏覽TI應用手冊,瞭解他們的超低失真測試振盪器如何實現。果不其然,使用了一款Burr Brown內建I2S的音訊DAC,然後接了一些高性能低通濾波器。

我買了幾個I2S DAC,將它們連接到我的一個微控制器演示板上,大約一天時間,I2S就開始運作了,且系統中產生出了一些基本像樣的訊號。I2S的奇妙之處在於,它可以連接到處理器的DMA,使99%的資料傳輸對處理器透明。處理器所要做的就是,每隔一段時間把DMA管道充滿。

這只是一次體驗,在經濟上並沒有優勢,因為TI的電路售價不到300美元,不過沒有公開API介面,無法從自己的測試程式來控制他們的解決方案。

然後我想,「USB音效卡dongle怎麼樣?它們也許既好用又便宜。」快速搜尋後發現,Creative Labs確實有一款成本很低、但性能又非常高的16/24位元USB dongle,它的名字令人印象深刻:「Creative Labs Sound Blaster Play!3」。這款不到20美元的元件,竟然具有24位元/96kHz的資料速率。我相信Creative Labs製造的不會是「垃圾」,所以買來試用。

使用18位元FFT分析儀進行的初步測試顯示,筆記型電腦不僅聽起來音質更好,而且性能確實達到了16位元失真程度,雜訊基底非常乾淨。

對於我的通用ADC測試平台來說,這種方法確實是一種「快速」解決方案,因為所有軟體都可以在實驗室電腦上運作;如今,我擁有了一套頻率和幅度都「可控」的訊號源,並且運作在我自己的電腦上,這樣就可以擁有獨立的應用程式,甚至可以建構API,以便在以後需要時納入自動測試套件。

這就解決了很多問題,透過使用外部音效卡,精確的振幅和已知的品質可以在任何測試平台之間轉移,因為我的測試筆記型電腦內部音效卡的輸出振幅和真實音質因地可變。使用筆記型電腦作為測試控制器的另一個好處是,可以拔出電源適配器並用電池供電,從而消除了試圖快速更換地點並完成工作時經常出現的許多接地迴路問題。

導入BlasterAmp

現在需要的是用於Sound Blaster dongle的類比介面板,以獲得「通用」測試裝置所需的輸出。我在300Ω的指定耳機負載上測量Sound Blaster音訊輸出,並使用了一些測試音,滿量程輸出測量到一致的0.37V峰值,並與使用的PC或作業系統無關。

表1列出了常見的ADC輸入範圍。我認為,如果覆蓋了常見的ADC輸入範圍,則透過音量控制來調整幅度,就可以實現範圍內任何輸入的測量,不過這最終會降低可實現的訊噪比(SNR),然而,Sound Blaster的SNR已足以滿足所預期的所有測量應用。

 

表1:表中所列涵蓋了幾乎所有常見的ADC輸入範圍,這些是計算Sound Blaster dongle輸出端放大器所需增益和偏置的基礎。

 

表1中的3.3V峰值範圍貌似有點奇怪,但在解析度較低的設計中仍然會出現。無論如何,基本設計大多是10位元或12位元ADC,因此決定在這些應用中只使用音量控制和0~5V範圍,此時訊噪比損失很小。

然後,我設計了具有所需的增益和偏置、且稱之為「BlasterAmp」的放大器,能夠轉換0.37V峰值,即Sound Blaster dongle的滿量程輸出,以與表2中的數值匹配。

 

表2:BlasterAmp設計用於覆蓋表1中的常見電壓範圍,僅有4個增益步長和3個偏置設置,對於單極性則需要使用3個偏置電壓。

 

對於單極性範圍,有一點需要注意,雖然目前所講的這些範圍都是「軌到軌」,但幾乎總有一點偏差。這將對任何ADC/緩衝器測試造成嚴重影響,因為如果「供電軌」不完全處於零電平或滿量程,ADC就會削波,導致嚴重失真,從而無法進行任何有意義的測量。此外,有時ADC基準電壓為2.048或4.096V,而不是2.5和5V。為了應對這些情況,我使用了25圈精密微調電位器,以便在需要時對增益和偏置進行微調。該精密微調還可以對Sound Blaster dongle、電阻容差和運算放大器失調電壓存在的任何細微差異進行補償。

圖1顯示了成品BlasterAmp的一個通道。根據需要,短路跳線用於改變偏置和增益,以適應所需的各種輸出範圍。

 

圖1:身歷聲Sound Blaster放大器的單通道示意圖。

 

圖1中,增益和偏置範圍透過可移動跳線設置,然後借助精密的25圈微調電位器進行微調。U101周圍的電阻網路是Vishay (OSOPTC1001AT0)的1kΩ匹配網路。為了最大限度地減少電阻發熱和後續的失真,所有其他電阻的尺寸均為0805,精準度為0.1%。為了消除失真,C100和C101必須是薄膜或COG陶瓷電容。

對於放大器,選用了的Burr-Brown OPA1611,這是一款失真超低的音訊運算放大器,其性能符合資料手冊所列。對於偏置基準電壓,用的是TI REF5050,為一款5V精密基準電壓源。

由於期望該電路用在測試工作台上,因此將其設計成由±15V電壓軌供電,並使用了HP6234A雙線性電源,將其放在工作台上以備此類場合使用。使用HP6234A這類的線性電源非常有用,因為它具有低雜訊、低I/O電容設計,而且沒有開關電源到處冒出的共模電流。如果供電設計必須使用一個開關的話,應在電路中使用一些線性、低壓差調節器和大共模扼流圈,以盡可能地消除電路板上的開關雜訊,HP6234A消除了所有這些問題。

最後,將雙通道BlasterAmp PCB放在一個小尺寸的Hammond外殼中,沒有蓋上外殼,因為這樣可以方便地進行各種跳線更換和可調電位器調整,見圖2。

 

圖2:完整的Sound Blaster放大器示意圖。

 

圖2中,印刷電路板被安裝在一個衝壓外殼中進行保護。PCB右上角的黑色電纜為音效卡的音訊電纜。電源由HP6234A線性工作台電源,並透過PCB中間右側的導線連接器供電。

測試軟體

使用Sound Blaster dongle確實大大簡化了設計,節省了開發時間,但還需要一種方法將大動態範圍測試訊號播放到Sound Blaster中。我嘗試了大概十幾種音訊測試音軟體方案,其中大多數的失真水準都只有60dBc或更低,這對於聽力測試來說還好,但對我的應用就不夠了,我的應用需要將失真降至16位元程度。

網際網路上有幾個發燒友網站提供了非常低失真的測試檔。為了重播,需要一個WAV或MP3檔播放機,循環播放時沒有死區時間。使用中發現這個「foobar2000」程式雖然命名愚蠢,但卻是一個極好的選擇。最初使用該程式在筆記型電腦上播放白噪音,試圖在睡覺時淹沒外來聲音,另外,當循環播放白噪音檔案時,不能有任何點擊或彈出,否則就會立即醒來。foobar2000程式非常適合BlasterAmp和睡眠。

這些預先錄製好的測試檔的頻率固定,但振幅可以根據需要透過BlasterAmp中的微調電位器或電腦的音量控制來微調。至於能夠以程式設計方式設置頻率和音量,我發現了一個名為PyAudio的Python庫,它可以生成特定幅度的精密正弦波訊號,然後能夠直接從Python腳本中播放。這已經證明可以產生失真非常低的訊號(圖3)。

 

圖3:在DMT9000 FFT分析儀上測量BlasterAmp範圍設置為±10V時的測量結果。可以看出,滿量程失真產物為滿量程以下16位元,即-96dBc。

 

然而,在產生任何測試音時都必須小心。要不必須為測試創建一個連續且足夠長的檔,要不必須不斷循環。循環時,只需確保波形的起點和終點完全對齊,否則會出現不連續,這會增加循環點的失真。

關於使用Sound Blaster dongle進行精確音調生成的最後一點注意事項是,請務必關閉正在播放PC上的任何音訊等化器或控制程式,以確保沒有不可預見的問題出現。

(參考原文:An easier way to test integrated analog-to-digital converters,by Steve Hageman)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌202210月號

 

 

 

 

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