杨忙，薛文龙
（1.山东芯慧微电子科技有限公司，山东济南，250102；
2.山东产研信息与人工智能融合研究院有限公司，山东济南，250102）
本文提出了一种高速折叠内插ADC 数模混合信号增强系统。该系统采用了先进的数字信号处理技术，可以在不引入额外噪声和失真的情况下，显著提高ADC 的输出信号质量。此外，该系统还具有响应速度快、功耗低等优点，非常适合于高速应用领域。本文所提出的高速折叠内插ADC 数模混合信号增强系统的基本原理是基于数字信号处理技术和数字模拟转换技术的结合。该系统首先对ADC 的输出信号进行数字化处理，然后通过数字信号处理技术对数字化信号进行增强，最后再将增强后的数字化信号转换为模拟信号输出。这种数字化处理的方式可以有效地提高ADC 的输出信号质量，同时避免了外部放大器和滤波器的使用。本文所提出的高速折叠内插ADC 数模混合信号增强系统是一种先进的电路信号增强系统，可以有效地提高ADC 的输出信号质量。
在高速折叠内插ADC 数模混合电路信号增强系统中，系统硬件设计是至关重要的一部分。表1 是对系统硬件设计的具体选型。
表1 硬件设备选型
总之，系统硬件设计需要充分考虑系统的性能、稳定性、可靠性以及可扩展性等因素，以确保高速折叠内插ADC 数模混合电路信号增强系统的正常运行。
1.1 ARM 控制板
ARM 控制板是一种基于ARM 微控制器的电路板，它具有高度的可编程性和灵活性，可以用于各种嵌入式系统的控制应用。ARM 控制板通常由ARM 处理器、存储器、输入输出接口等组成，具有高速、低功耗、高可靠性等特点。ARM 控制板可以用于各种领域，如工业控制、智能家居、医疗设备等[1]。在选择ARM 控制板时，需要考虑其性能参数、接口类型、功耗和散热性能等因素，以确保其能够满足应用需求。
1.2 STB 控制板
STB 测试板在高速折叠内插ADC 数模混合电路信号增强系统中扮演着重要的角色。在该系统中，STB 测试板可以用于测试ADC 的输出信号质量和性能，以确保高速折叠内插算法能够正确地处理数字信号并转换为模拟信号输出。STB 测试板的设计和制作需要考虑以下几个方面：STB 测试板需要与高速ADC数模混合电路信号增强系统进行接口，因此需要考虑其接口类型和接口协议是否与系统中其他模块兼容[2]。例如，STB 测试板可能需要与FPGA 或其他数字处理芯片进行接口，因此需要选择具有合适接口类型的芯片。STB 测试板需要能够准确地测试ADC 的输出信号质量和性能，因此需要考虑其测试精度和稳定性。在设计和制作STB 测试板时，需要选择高精度的测试仪器和元件，同时需要进行严格的测试。在高速折叠内插ADC 数模混合电路信号增强系统中，STB 测试板需要具备高速数据处理能力，以应对高速数字信号的测试和处理。因此，在设计和制作STB 测试板时，需要选择具有高速处理能力的芯片和元件，同时需要考虑如何优化电路设计和算法实现，以提高测试板的处理速度和效率。STB 测试板的设计和制作需要考虑其可扩展性和可维护性。随着技术的不断发展和应用需求的变化，可能需要不断地更新和升级测试板的硬件和软件。因此，在设计和制作STB 测试板时，需要考虑如何方便地进行升级和维护，同时需要考虑如何优化电路设计和元件选择，以提高测试板的可靠性和稳定性。
1.3 DUT 板
DUT 板是一种用于测试数字电视接收器的电路板，它通常由一个或多个DUT（Device Under Test）核心板、输入输出接口、电源模块等组成。DUT 板在整个测试系统中作用是安放待测器件，测试系统的全部输入输出都集中在DUT 板上，有效地把测试系统的输入激励信号和测试输出分离开。
1.4 继电器矩阵板
继电器矩阵板主要执行待测器件与测试系统的各个测试通道之间快速切换。测试系统为其提供地信号和SV 电源信号，对无继电器矩阵同时输入无数个信号，通过它的快速切换达到对被测器件施加矢量和读取返回结果的效果。
2.1 ADC 参数测试
2.1.1 静态参数测试
ADC 的静态参数检测主要是以低电压或直流电流的方式测量ADC 芯片的各项性能指标。静态参数的检测方法有单点试验等，其主要试验步骤是：零点误差的测定：零点误差，也叫输入不准，是指真实ADC 曲线中0 的编码中点和理想ADC 转换曲线中0 的编码中点之间的最大错误，用EZ表示。它的测量是这样进行的，将输入电压逐步增加，在数字显示器从00 到00 变化到00……01 的时候，将这一时刻的输入电压Vin1 记录下来，接着将输入电压逐步降低，使得数字显示器从00……01 变成00……00，并记录输入电压Vin2。ADC 的增益误差主要体现在ADC 的实际发射特征曲线与理想发射特征曲线之间的偏离。它典型地以百分数（FSR）的形式表达。举例来说，16 位模数转换器，若增益错误率为±%，则最大模数转换器输出将产生7 比特错误（131）[3]。增益误差可能会限制信号输出的准确性，因此，需要通过校准尽量减小或消除这种误差。对于两点校准，可以通过选择在满量程范围的10%和90%处作为测试输入点，以此确定ADC 的偏移和增益误差。然后，根据实际响应的输出代码，通过数学操作，把真实的响应线与理想ADC 的线进行映射，从而消除数字域中的偏移和增益误差。ADC的最小有效位（LSB）是指在一个数字模拟转换器（ADC）中能够被识别的最小电压变化量。它一般被定义为全范围电压/模数转换器的解析度。例如，8 比特ADC 的尺寸是Vref/256，其全范围电压一般是Vref，256 分辨率（也就是2 的8 次方）。它的尺寸是模数转换器精度的直接体现。随着LSB 尺寸的减小，模数转换器的精确度也随之提高。例如，一个全范围5V 的4 比特模数转换器，那么其LSB 的大小为0.31V，这意味着这个ADC 能够识别的最小电压变化量为0.31V。ADC 差分非线性度（DNL）是指实际ADC 转换器的输入-输出特性与理想直线的偏差。在理想的ADC 中，每个输入代码的转换点是上一个转换点的+1LSB（最低有效位）。然而，实际ADC 的转换点可能会偏离这个理想位置，这就是差分非线性度的来源。
图1 ADC DNL 计算图
差分非线性度通常通过比较实际转换点与理想转换点的差异来计算。例如，在实际应用中，我们可能会比较每个输入代码对应的实际输出码字与理想输出码字的差异。然后，这些差异会被用来计算DNL。需要注意的是，由于DNL 误差并不能完整地反映ADC 的线性，而是由DNL 正、负错误在各个码字之间的分配决定[4]。因此，还需要考虑积分非线性度（INL）来更全面地评估ADC 的性能。
2.1.2 动态参数测试
ADC 动态参数测试是指对ADC 在模拟信号输入时，其性能参数的测试。动力参数的测试方法主要有：动态信号叠加试验、频谱分析快速傅立叶变换等。动态信号叠加检测法：其基本思路是将一个小的交流信号与被测A/D 变换器的模拟输入基准电压相叠加，使得A/D 变换器输出的数字量在特定的代码附近以特定的频率进行反复变换，以此来检验对应的突变点和编码中心，同时也可以测定零点、增益、相对精度以及线性差分误差。该算法简单，但受分辨率、速度等方面的限制。频谱解析法是将全范围内的正弦信号送入被检测ADC，并将其存入存储器，再对其进行FFT 计算，得到信噪比和THD 等参量。该电路的输入信号为两个不同频率的正弦波，经FFT 处理即可得到该信号的IMD 值。对于高精度模数转换器来说，快速傅立叶变换需要有足够的时间，因此，如何选取合适的测试频率是一个非常重要的问题。此外，快速傅立叶变换方法还需要采样频率不能等于信号频率的整数倍。FFT 法是一种比较常见的模数转换器动态测试技术，它具有直观、简单的特点，并且可以在其输出谱上显示几乎全部的模数转换器的畸变。
2.2 建立数模混合测试通道
ADC 数模混合测试通道的建立包括以下步骤：确定ADC 的参数：ADC 的参数包括精度、电压输入范围等。精度是指模拟电压经过ADC 转换后得到的数字量的位数，电压输入范围是指ADC 可以接受的输入电压范围。选择合适的测试信号：根据ADC 的参数，选择合适的测试信号，例如正弦波、方波等。连接测试通道：将测试信号连接到ADC 的输入端口，将ADC 的输出端口连接到数字电路的输入端口，将数字电路的输出端口连接到模拟电路的输入端口。设置ADC 参数：根据测试信号的特性，设置ADC 的参数，例如采样率、分辨率等。启动测试：启动测试程序，记录ADC 的输出数据和模拟电路的输出数据，比较两者是否一致。通过以上步骤，可以建立ADC 数模混合测试通道，对ADC 的性能进行全面的测试。图2 为数模混合测试通道结构图。
图2 数模混合测试通道结构图
混合测试通道的核心是MTAP 控制器，为模数混合测试提供测试通道的各端口控制信号。有两个模拟测试端，一个为AT1、一个为AT2，这两个脚是专用引脚，不能用于其他用途。由MTAP，TBIC，ABM，AB1 和AB2 等组成模拟信号测试的基本架构，模拟测试激励施加到AT1 端口，通过测试总线接口电路和模拟边界模块形成虚拟测试通道，在AT2 端口得到测试响应结果，用于模拟信号的测试。此外，MTAP 还可以添加两个附加的模拟测试引脚AT1N 和AT2N，满足对差分输入/输出信号进行测试。数字激励施加到TDI 端口通过数字边界模块到TDO 端口形成测试通道获得响应数据，用于数字信号测试。从AI/O 端口输入模拟信号到ABM，通过ADC核心电路送到DBM 可以由DI/O 输出数字信号，也可以作为激励信号送到下一级检测信号故障。模数转换器(ADC)核心电路包括数据的采样、保持及量化过程，采样电路是模数转换器的第一步，也是最为重要的转换环节。采样及跟踪保持电路是执行采样操作的主要电路，在噪声和失真上进行折中设计。量化电路是模数转换过程的一个主要步骤，量化过程会产生积分非线性、微分非线性及单调性问题。
2.3 优化数模转换器算法
任何连续的模拟信号都可以用递归的二分法转化成N位二进制表示形式。
式(1)中，是模拟信号输入，是第i次迭代的模拟信号余量，Vref是参考电压，是1 或-1。在为正值时，= 1。在为其他值时，=- 1，i=1,2,… ,N。以上公式是一位数字的算法，可以推广到多位数字的情形。将模拟量转化成输出码，具有ni比特。输入范围[-Vr ef,Vref]被分成从Ni个区间，Ni=2ni， 所对的模拟信号
iD被送到数字解码电路中，同时通过子DAC转回模拟信号，第i级子DAC 输出电压为：
该模拟信号和输入的放大延迟模拟信号相减，从而得到残差信号为：
2.4 增强电路信号
通过两个三极管相连，将电压变换为电流，将变换为电流的信号，再经过两个三极管将其转化为电压，然后再通过场效应管对其进行放大，然后将其输出到负载上，利用电阻将电压转化为电流，将其施加在FET 的发射极上，形成一个电流负反馈，再利用该电阻与FET的电流之差来放大信号。在图3 中可以看到。
图3 增强信号电路图
经由第1 三极管VT1 及第23 极管VT2，将网路输入讯号电压变换为电流，经由第3 及第4 三极管VT4，将该网路输入讯号的电压，再经由第1FET1 及第2FET2 进行放大，并将其输出及驱动负荷进一步进行放大。第一电阻器R1 变换输出电压为电流，并将其施加于第2FET2 的射极处，从而形成一个电流负反馈。因此，在第7 电阻器R7 中流动的电流为第2FET2 和反馈电流之差。从而获得了对信号进行放大的增益，并改善了信号强度。
3.1 测试准备
本实验主要涉及高速折叠内插ADC 数模混合电路的实现。实验的主要目标是提高模拟信号的采样率和精度，同时优化数字信号处理算法，从而实现更稳定的信号增强。在实验前，首先进行了模拟信号的输入和采样。我们采用了不同频率和幅度的正弦波信号作为输入，观察系统的响应和稳定性。接下来，对数字信号处理算法进行了优化。通过采用更高效的滤波器和优化算法复杂度，输出信号的信噪比（SNR）得到了明显提升，同时减少了计算时间和内存占用。在电路设计方面，对混合电路的布局和元件参数进行了调整和优化。通过改进电路设计，减少了信号传输延迟和干扰，提高系统的性能。
3.2 测试结果及分析
为了验证本文的系统具有实用性，对本文系统进行测试，测试结果如表2 所示。
表2 测试结果
实验结果表明，本系统传输的信号个数与真实传输信号的个数基本相同，证明通过将优化后的ADC 模块、数字信号处理算法和电路设计集成到系统中，输出信号的质量得到了显著提升，失真现象得到了有效抑制。本文的混合电路信号增强系统可以实现信号增强，传输信号质量较高。
总的来说，本文所介绍的高速折叠内插ADC 数模混合电路信号增强系统是一种创新性的解决方案，旨在提高ADC 的性能和输出信号质量。通过采用先进的数字信号处理技术和数模混合设计，该系统能够有效地解决传统电路信号增强系统的不足。该系统的应用范围广泛，不仅可以用于各种电子设备的信号采集和处理，还可以用于通信、雷达、音频和图像处理等领域。此外，由于该系统采用了数字化处理的方式，可以方便地进行升级和优化，以适应不断变化的应用需求和技术发展。在未来，我们期望能够进一步研究和改进该系统，实现更高速、更低功耗和更高精度的信号增强，为电子系统的设计和优化提供更加完善的解决方案。
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