高速或GSPS ADC(每秒千兆采樣ADC)相對稀疏出現的轉換錯誤不僅造成其難以檢測，而且還使測量過程非常耗時。該持續時間通常超出毫秒範圍
，達到幾小時、幾天
、幾周甚至是幾個月。為了幫助消減這一耗時測試負擔，可以在一定“置信度”的確定性情況下估算誤差率，而仍然保持結果的質量。

 

誤碼率(BER)與轉換誤差率

 

與串行或並行數字數據傳輸中BER的數字等效值類似
，CER是轉換錯誤數與樣本總數之比。但是，BER和CER之間有一些截然不同之處。數字數據流中的BER測ce試shi采cai用yong長chang偽wei隨sui機ji序xu列lie，該gai序xu列lie可ke於yu發fa送song器qi中zhong在zai傳chuan輸shu兩liang端duan使shi用yong常chang用yong種zhong子zi值zhi來lai啟qi動dong。接jie收shou器qi預yu期qi將jiang收shou到dao理li想xiang的de傳chuan輸shu。通tong過guo觀guan察cha接jie收shou數shu據ju與yu理li想xiang數shu據ju的de差cha異yi，便bian可ke精jing確que計ji算suan出chuBER。兩端之間偽隨機序列數據中的失配(基於種子值)即視為誤碼。

 

與CER不同，誤差測定不像純數字比較那麼簡單。由於ADC轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong始shi終zhong具ju有you小xiao的de非fei線xian性xing，另ling外wai還hai存cun在zai係xi統tong噪zao聲sheng和he抖dou動dong，因yin此ci並bing非fei總zong是shi能neng確que定ding預yu期qi數shu據ju和he實shi際ji數shu據ju之zhi間jian的de確que切qie差cha異yi。相xiang反fan

，需xu要yao建jian立li誤wu差cha閾yu值zhi，用yong於yu確que定ding轉zhuan換huan錯cuo誤wu和he具ju有you容rong許xu預yu期qi噪zao聲sheng的de樣yang本ben之zhi間jian的de界jie限xian。這zhe與yu數shu字ziBER不bu同tong，並bing不bu會hui對dui發fa送song和he接jie收shou的de預yu期qi數shu據ju進jin行xing確que切qie比bi較jiao。相xiang反fan


，首shou先xian必bi須xu量liang化hua樣yang本ben的de誤wu差cha幅fu度du，然ran後hou再zai確que定ding是shi轉zhuan換huan錯cuo誤wu，還hai是shi在zai轉zhuan換huan器qi和he係xi統tong的de預yu期qi非fei線xian性xing範fan圍wei內nei。ADC後端數字接口的誤碼率必須低於轉換器的內核CER，因此無法忽視。如果並非如此，那麼數據輸出傳輸誤差將覆蓋CER並成為主要誤差來源。

 

亞穩態

 

高速ADC中造成轉換錯誤的一個常見原因是一種稱為亞穩態的現象。高速ADC在(zai)將(jiang)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)值(zhi)的(de)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，往(wang)往(wang)會(hui)在(zai)不(bu)同(tong)階(jie)段(duan)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)梯(ti)級(ji)比(bi)較(jiao)器(qi)。如(ru)果(guo)比(bi)較(jiao)器(qi)無(wu)法(fa)確(que)定(ding)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)是(shi)高(gao)於(yu)還(hai)是(shi)低(di)於(yu)其(qi)參(can)考(kao)點(dian)時(shi)，就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)出(chu)現(xian)錯(cuo)誤(wu)代(dai)碼(ma)的(de)亞(ya)穩(wen)態(tai)結(jie)果(guo)。當(dang)兩(liang)個(ge)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)之(zhi)差(cha)幅(fu)度(du)非(fei)常(chang)小(xiao)或(huo)為(wei)零(ling)時(shi)，就(jiu)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)，此(ci)時(shi)無(wu)法(fa)進(jin)行(xing)正(zheng)確(que)比(bi)較(jiao)。由(you)於(yu)此(ci)錯(cuo)誤(wu)值(zhi)會(hui)沿(yan)著(zhe)流(liu)水(shui)線(xian)傳(chuan)播(bo)，因(yin)此(ci)ADC可能產生重大的轉換錯誤。

 

當dang差cha分fen模mo擬ni輸shu入ru為wei相xiang對dui較jiao大da的de正zheng值zhi或huo負fu值zhi時shi，比bi較jiao器qi可ke以yi快kuai速su計ji算suan出chu差cha值zhi並bing給gei出chu明ming確que決jue定ding。當dang差cha分fen值zhi很hen小xiao或huo為wei零ling時shi，比bi較jiao器qi做zuo出chu決jue定ding所suo需xu的de持chi續xu時shi間jian會hui長chang很hen多duo。如ru果guo在zai此ci決jue定ding點dian之zhi前qian比bi較jiao器qi輸shu出chu鎖suo存cun，則ze將jiang產chan生sheng亞ya穩wen態tai結jie果guo。

 

有(you)些(xie)設(she)計(ji)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)減(jian)輕(qing)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)。首(shou)先(xian)
，將(jiang)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)不(bu)確(que)定(ding)範(fan)圍(wei)設(she)計(ji)的(de)非(fei)常(chang)小(xiao)
，迫(po)使(shi)比(bi)較(jiao)器(qi)在(zai)可(ke)能(neng)的(de)最(zui)大(da)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)條(tiao)件(jian)範(fan)圍(wei)內(nei)做(zuo)出(chu)準(zhun)確(que)決(jue)定(ding)。但(dan)是(shi)
，這(zhe)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)電(dian)路(lu)功(gong)率(lv)和(he)設(she)計(ji)尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)。

 

第di二er種zhong方fang法fa是shi盡jin量liang延yan遲chi比bi較jiao器qi采cai樣yang時shi間jian，給gei模mo擬ni輸shu入ru最zui長chang的de時shi間jian建jian立li至zhi已yi知zhi的de比bi較jiao器qi輸shu出chu值zhi。但dan這zhe種zhong方fang法fa存cun在zai多duo個ge限xian製zhi，因yin為wei延yan遲chi最zui長chang也ye隻zhi能neng持chi續xu到dao當dang前qian采cai樣yang時shi間jian結jie束shu
，而er後hou比bi較jiao器qi必bi須xu繼ji續xu處chu理li下xia一yi次ci采cai樣yang。第di三san種zhong方fang法fa是shi采cai用yong智zhi能neng錯cuo誤wu檢jian測ce和he校xiao正zheng算suan法fa，該gai算suan法fa會hui對dui比bi較jiao器qi在zai高gao速suADC轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)後(hou)續(xu)階(jie)段(duan)中(zhong)引(yin)入(ru)的(de)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)進(jin)行(xing)數(shu)字(zi)補(bu)償(chang)。當(dang)比(bi)較(jiao)器(qi)未(wei)能(neng)在(zai)最(zui)大(da)允(yun)許(xu)時(shi)間(jian)內(nei)做(zuo)出(chu)決(jue)定(ding)時(shi)，邏(luo)輯(ji)可(ke)檢(jian)測(ce)到(dao)該(gai)缺(que)失(shi)。然(ran)後(hou)，此(ci)信(xin)息(xi)可(ke)被(bei)附(fu)加(jia)到(dao)相(xiang)關(guan)樣(yang)本(ben)上(shang)，以(yi)便(bian)未(wei)來(lai)進(jin)行(xing)內(nei)部(bu)調(tiao)整(zheng)。識(shi)別(bie)出(chu)此(ci)警(jing)報(bao)時(shi)，可(ke)使(shi)用(yong)後(hou)處(chu)理(li)步(bu)驟(zhou)在(zai)樣(yang)本(ben)從(cong)轉(zhuan)換(huan)器(qi)輸(shu)出(chu)前(qian)糾(jiu)正(zheng)該(gai)錯(cuo)誤(wu)。這(zhe)可(ke)以(yi)從(cong)圖(tu)1中的AD9625看出，它是ADI公司的一款12位、2.5GSPS ADC。

 

圖1：可在AD9625的模數轉換過程內識別比較器的不確定性。在後續步驟中執行校正命令以校正樣本，然後再從轉換器輸出。

 

置信度

 

CER置信度(CL)是指在不精確到特定故障率的情況下對未來錯誤的外推預期。這可減少針對給定CER獲取的樣本總數，但代價是不能保證100%的確定性。從數學角度來說，要達到絕對100%的確定性，需要取得無限持續時間內的樣本。因此
，根據行業經驗
，95%的置信度已經相當接近已知值，並且實現了不確定性和測量時間之間的平衡。如果將測試重複一百次，則有95次可以準確識別誤碼率。有時工程師會誤認為一旦在測試期間檢測到誤差，該過程就會結束並找到最終的CER。這(zhe)既(ji)不(bu)準(zhun)確(que)也(ye)不(bu)完(wan)整(zheng)。無(wu)論(lun)過(guo)程(cheng)中(zhong)是(shi)否(fou)有(you)誤(wu)差(cha)
，轉(zhuan)換(huan)誤(wu)差(cha)率(lv)及(ji)相(xiang)關(guan)的(de)置(zhi)信(xin)度(du)都(dou)可(ke)以(yi)測(ce)試(shi)。但(dan)是(shi)，如(ru)果(guo)在(zai)給(gei)定(ding)置(zhi)信(xin)度(du)下(xia)檢(jian)測(ce)到(dao)誤(wu)差(cha)

，則(ze)與(yu)沒(mei)有(you)錯(cuo)誤(wu)時(shi)的(de)樣(yang)本(ben)數(shu)相(xiang)比(bi)，必(bi)須(xu)增(zeng)加(jia)測(ce)量(liang)的(de)樣(yang)本(ben)數(shu)量(liang)。

 

 

以上公式給出了置信度、誤碼率和樣本數之間的自然對數數學關係表達式。式中：N為測量的樣本數；CER為轉換誤碼率；CL為置信度；E為檢測到的錯誤數。

 

未檢測到誤差時，公式有所簡化，右邊的項等於零

，結果僅取決於左邊的項。當CL為95%且未檢測到誤差時，所需的樣本數僅約為預期CER的倒數乘以3。測量到100%置信度
，即對於任何CER值都有CL=1.0，從數學角度上需要獲取-ln(0)無窮大的無限樣本數(N)。

 

誤差閾值

 

高速ADC中的轉換誤差幅度很關鍵，有些誤差比其他誤差更重要。例如，一個或兩個最低有效位(LSB)誤差可能在係統的預期噪底之內，甚至可能不會影響瞬時性能。但是
，最高有效位(MSB)誤差，乃至滿量程誤差可能造成係統故障事件。因此，CER測試需要具有一種機製或閾值來確定轉換中誤差的嚴重程度。

 

轉換的誤差閾值應該包括ADC的已知線性不足，以及時鍾抖動和其他超出轉換器功能的係統噪聲。對於任何給定樣本

，這些通常會累加為14位ADC的4或5個最低有效位(LSB)或16～32個代碼。根據ADC分辨率、係xi統tong性xing能neng和he應ying用yong的de誤wu碼ma率lv要yao求qiu，該gai值zhi的de大da小xiao可ke能neng略lve有you不bu同tong。使shi用yong此ci誤wu差cha帶dai與yu理li想xiang值zhi進jin行xing比bi較jiao後hou，超chao出chu此ci限xian值zhi的de樣yang本ben將jiang被bei視shi為wei轉zhuan換huan錯cuo誤wu。在zai傳chuan統tong視shi頻pinADC中，此錯誤被稱為“閃碼”，因為它會在視頻屏幕上產生亮白色像素閃爍。可接受的轉換器誤碼率很大程度上取決於信號處理係統和係統誤差容差要求。

 

曆史上測量的GSPS ADC轉換誤差率一般不會低於1e-14。1e-15的誤差率意味著轉換器在1e15個樣本範圍內不應出現轉換錯誤。雖然這些數字看起來很大，但憑借當今先進轉換器技術的高采樣速率，對於CER測試仍然可以實現。但是，對於具有8ns采樣速率的125MSPS轉換器

，1e15次采樣將占用800,000s(1e15*8ns)

，也即9.24天。要在這些誤碼率中實現95%的CL，則需要分別將這些采樣持續時間的均乘以2.996。

 

CER測試

 

圖2給出了如何測試內部ADC 內核的CER。在或接近ADCzuidabianmasulvxiacaiyangshi，keshiyongpinlvxiangduijiaomandezhengxianbozuoweimonishuru。yingduimonishuruxinhaojinxingguihua，yibianzaihushixitongzaoshengdeqingkuangxia，lianggexianglinyangbenzhijiandeyuqijueduichabudayu1LSB代碼。理想情況下
，模擬輸入信號比滿量程稍大
，以便運用ADC的所有代碼。應計算模擬輸入和編碼采樣速率，以便建立較長的一致性周期，而ADC不在同一代碼級別進行一致采樣。

 

圖2：CER測試的兩種采樣情形。頂部的情形是以比Fs/2稍快的速率對模擬信號進行采樣
，其中僅每隔一個樣本比較一次。理想情況下
，兩個連續樣本的不同之處不超過一個LSB代碼。下麵的情形是對相對較慢的模擬輸入進行過采樣，以便兩個相鄰樣本的不同之處也不超過一個LSB代碼。

 

圖3：CER測試比較兩個連續ADC樣本和預定誤差閾值。計數器記錄錯誤發生次數、幅值和采樣位置標識符。

 

係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)計(ji)數(shu)器(qi)來(lai)跟(gen)蹤(zong)兩(liang)個(ge)相(xiang)鄰(lin)樣(yang)本(ben)之(zhi)間(jian)的(de)幅(fu)度(du)差(cha)值(zhi)超(chao)過(guo)閾(yu)值(zhi)限(xian)值(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)
，並(bing)將(jiang)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)計(ji)數(shu)為(wei)轉(zhuan)換(huan)錯(cuo)誤(wu)。該(gai)計(ji)數(shu)器(qi)必(bi)須(xu)保(bao)留(liu)整(zheng)個(ge)測(ce)試(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong)錯(cuo)誤(wu)的(de)累(lei)加(jia)總(zong)數(shu)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)按(an)預(yu)期(qi)工(gong)作(zuo)
，還(hai)應(ying)記(ji)錄(lu)誤(wu)差(cha)幅(fu)度(du)與(yu)理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)。測(ce)試(shi)需(xu)要(yao)的(de)時(shi)間(jian)將(jiang)基(ji)於(yu)采(cai)樣(yang)速(su)率(lv)
、所需的測試CER和所需的置信度(圖3)。

 

小結

 

典型轉換器架構可實現一些係統可接受的測量轉換誤碼率，新的設計和錯誤檢測算法正推動限值實現更佳的性能。ADI的12位2.5GSPS ADC AD9625分級比較型流水線內核使用專有技術檢測流水線處理前期的ADC轉換錯誤，然後處理和糾正後期的錯誤。這在12位GSPS ADC上實現了優於1e-15、置信度為95%的行業一流測量CER。

 

 

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