一种通用模数转换器的性能评估系统的制作方法

1.本发明实施例涉及嵌入式控制技术领域，尤其涉及一种通用模数转换器的性能评估系统。


背景技术：

2.模数转换，即analog-to-digital converter，简称adc，它是模拟信号和数字信号的连接桥梁。它的主要作用是将连续的模拟信号转换为数字形式的离散信号，即将模拟信号转换为与电压值成比例的数字离散信号。
3.目前，研究模数转换器的性能评估的专利很多，比如专利号为cn202122690591.8的《一种高速adc采集及信号处理电路》、专利号为cn202110827886.7的《一种adc按键电路校准方法、系统、存储介质及按键电路》、专利号为cn202210141282.1的《一种基于fpga的adc芯片的动态指标测量系统及方法》、专利号为cn202020838663.1的《一种adc性能测试电路、芯片和设备》、专利号为cn201710468092.x的《一种提高sar-adc电路性能的方法》、专利号为cn201910626216.1的《一种用于高速adc性能测试的数据缓存传输装置》等，又如王特等编写的论文《小型模块化adc性能评估系统设计与实现——以ad976和ad9230为例》、范微等编写的论文《高速adc性能测试系统研究与实现》等。
4.上述现有技术对adc性能的评估基本上都是单项平台，不能同时支持对独立adc芯片以及基于soc的片上adc的评估，通用性较差，可移植难度大。


技术实现要素：

5.本发明提供一种通用模数转换器的性能评估系统，以提高对adc性能评估的效率。
6.本发明实施例提供了一种通用模数转换器的性能评估系统，其特征在于，包括：
7.主控芯片、数模转换芯片、待评估器件、高精度电源芯片、以及pc端；
8.其中，所述主控芯片分别与所述数模转换芯片和待评估器件相连，用于控制所述数模转换芯片的数据转换，以及用于控制所述待评估器件进行模数转换的速率；
9.所述数模转换芯片与所述待评估器件相连，用于将转换后的数据发送至所述待评估器件；
10.所述高精度电源芯片分别与所述主控芯片、数模转换芯片以及待评估器件相连，用于为所述主控芯片、数模转换芯片以及待评估器件供电；
11.所述pc端与所述待评估器件相连，用于接收并保存所述待评估器件进行模数转换后的数据，并通过内置的性能评估算法对所述数模转换后的数据进行性能评估，以得到待评估器件的性能评估结果。
12.可选的，所述待评估器件包括：微处理器或者专用adc芯片。
13.可选的，所述待评估器件通过usb或者串口将模数转换后的数据输出到pc端。
14.可选的，所述pc端内置的性能评估算法评估的性能包括：误差、采样率、积分非线性、微分非线性、信噪比、谐波失真、分辨率。
15.本发明通过软件和硬件结合的方式，不仅能够实现对大多数高速、低速的模数转换器(adc)性能进行评估，也能够实现对不同位数的adc进行性能评估，有效地改善了传统的专用adc芯片以及嵌入式芯片中的adc的性能评估方法，提高了应用开发的效率。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的一种通用模数转换器的性能评估系统的硬件结构图；
17.图2为本发明实施例提供的一种通用模数转换器的软件逻辑示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
19.实施例
20.图1为本发明实施例提供的一种通用模数转换器的性能评估系统的硬件结构图，本实施例可适用于对通用模数转换器的性能进行评估的情况。
21.具体的，该系统包括：主控芯片、数模转换芯片、待评估器件、高精度电源芯片以及pc端。
22.其中，所述主控芯片分别与所述数模转换芯片和待评估器件相连，用于控制所述数模转换芯片的数据转换，以及用于通过自定义的通信协议控制所述待评估器件进行模数转换的速率；
23.所述数模转换芯片与所述待评估器件相连，用于将转换后的数据发送至所述待评估器件；
24.分别与所述主控芯片、数模转换芯片以及待评估器件连接的高精度电源芯片，所述高精度电源芯片用于为所述主控芯片、数模转换芯片以及待评估器件供电。
25.所述pc端与所述待评估器件相连，用于接收并保存所述待评估器件进行模数转换后的数据，并通过内置的性能评估算法对所述数模转换后的数据进行性能评估，以得到待评估器件的性能评估结果。
26.其中，主控芯片可以是mcu、fpga、dsp等，数模转换芯片为24bit的数模转换芯片，即digital-to-analog converter，简称dac，该dac芯片受主控芯片控制，作为待评估器件adc的输入源。待评估器件可以是微处理器，也可以是专用adc芯片，通过主控芯片和待评估器件之间定义的通信协议，完成待评估器件的adc数据采集。
27.pc端具有串口和usb数据接收的功能，可以接收待评估器件adc的转换值，当完成adc数据转换后，保存数据。
28.同时由于上位机软件在设计的时候添加了对adc数据的算法处理功能，并将不同的算法映射到上位机界面的按钮上，可以通过单击不同的按钮，对数据进行不同的算法处理。进一步参见图2，所述pc端内置的性能评估算法评估的性能包括：误差、采样率、积分非线性、微分非线性、信噪比、谐波失真、分辨率。
29.为了方便理解，接下来对上述的一些性能指标进行介绍：
30.(1)分辨率：在模数转换器中，分辨率通常是指在输入模拟信号范围内可以输出的
离散数字信号值的数量。这些输出的数字信号值一般用0和1来表示。因此，分辨率往往以位为单位，这些离散值的个数是2的幂。例如，一个8位分辨率的模数转换器可以将模拟信号编码成256个不同的离散值(离散梯度)，范围可以从-128到127(即有符号整数)或者从0到255(即无符号整数)。两种编码格式的选取是由模数转换器的生产商所决定的。
31.分辨率也可以用电学特性来描述。通常我们见到的是用伏特(v)，使输出离散信号产生变化所需的最小输入电压之差叫做最低有效位(lsb电压)。模数转换器的分辨率(q)就等于lsb电压。模数转换器的电压分辨率由下式决定：
32.q＝(vrefhi
–
vreflow)/2n
33.其中，其中vrefhi和vreflow是转换过程中允许输入adc的电压的上限和下限，n是模拟数字。
34.如果输入电压的变化小于q值，adc就没有办法识别电压的变化。就会产生量化误差。n值越大，即adc输出数字量的位数越多，q越小，可辨别的电压变化越小，分辨率越强，量化带来的误差越小。
35.(2)采样率
36.模拟信号在时域上是连续的，可以转换成一系列时间上连续的数字信号。因此，r定义了一个参数来表示模拟信号上的每个值被获取并表示为数字信号的速度。该参数通常称为adc的采样率或采样率。
37.(3)误差
38.模数转换器有多种误差来源。量化误差和非线性误差是任何模数转换中的固有误差。
39.(4)积分非线性(inl)
40.积分非线性(integral nonlinearity，inl)是模数转换器的静态性能参数之一，是指实际转换曲线同理想转换曲线在纵轴方向的差值，单位是lsb，即最低有效位。它表示实际转换曲线偏离理想转换曲线的程度。
41.积分非线性表示了adc器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间误差最大的那一点的误差值，也就是输出数值偏离线性最大的距离。单位是lsb。例如，一个12bit的adc，inl值为1lsb，那么，对应基准4.095v，测某电压得到的转换结果是1.000v，那么，真实电压值可能分布在0.999v到1.001v之间。
42.(5)微分非线性
43.adc相邻两刻度之间最大的差异就叫微分非线性(differential nonlinearity，dnl)，在理想的情形下，在数字编码中的1lsb变化对应于模拟信号的严格的1lsb变化。ad从一个数字转换到下一个数字转换应该有严格的1lsb模拟输入的变化。在模拟信号对应于1lsb数字变化大于或小于1lsb的地方，被称为dnl误差。
44.(6)谐波失真(thd)
45.谐波失真(thd),出现在输入频率整数倍频点(谐波)的失真的rms值与输入(或输出)正弦波的值之比。测量中仅包括奈奎斯特频限内的谐波,典型值以分贝表示：
46.47.在上式中，v2至v
x
是基波v1的谐波。
48.(7)信噪比
49.信噪比(snr)是指直流到奈奎斯特频段内,正弦波加的值与转换器噪声的值之比,直流噪声和谐波失真除外。典型值以分贝表示：
[0050][0051]
理想状况下,最小转换噪声的理论值只包括量化噪声,可直接由数据转换分辨率计算得到为一信噪比的分辨率：
[0052]
snr＝(6.02n 1.76)db
[0053]
对于某一个确定的分辨率,量化噪声及其他噪声大约是常数,随着输入电压的增大而增大,当输入信号达到最大幅值,也就达到最大值。后面的大输入信号的量化噪声被失真所限制。
[0054]
本实施例中，是该发明硬件的实现逻辑
[0055]
(1)主控芯片用于控制dac的数据转换；
[0056]
(2)主控芯片通过自定义的通信协议控制待评估器件进行adc转换的速率；
[0057]
(3)数模转换器用于产生待评估器件需要的模拟信号；
[0058]
(4)待评估器件负责模数转换，同时将数模转换的值，通过usb或者串口输出到pc端。
[0059]
(5)高精度电源主要是用来给系统上的各个电路供电，避免由于电源噪声影响adc的性能评估。
[0060]
软件的设计执行逻辑具体包括：
[0061]
(1)串口数据或者usb接收到的数据，是待评估器件完成的模数转换的值；
[0062]
(2)上位机软件可以将转换后的数据，通过界面按钮保存；
[0063]
(3)线性度按钮、信噪比按钮、谐波失真按钮、积分非线性按钮、微分非线性按钮用来对保存的数据，进行分析，并形成波形分析。
[0064]
本发明通过软件和硬件结合的方式，不仅能够实现对大多数高速、低速的模数转换器(adc)性能进行评估，也能够实现对不同位数的adc进行性能评估，有效地改善了传统的专用adc芯片以及嵌入式芯片中的adc的性能评估方法，提高了应用开发的效率。
[0065]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。