一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法，具體涉及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。其解決了現(xiàn)有的TIADC的失配估算校準采用正弦波擬合估算方法，需要大量的擬合運算，當ADC通道數(shù)量較多時，需要更大的計算量和時間，容易造成效率低的不足。該方法通過讀取ADC芯片的采樣數(shù)據(jù)，從而得到芯片中每一個ADC通道的采樣數(shù)據(jù)，基于等效采樣原理，將每一個ADC通道的多個周期的采樣數(shù)據(jù)重疊組合在一個周期內(nèi)，通過比較各通道ADC重疊組合波形的平均值、幅值范圍和相位，實現(xiàn)了TIADC的偏置失配、增益失配和相位失配的同時校準，免除了傳統(tǒng)估算方法的正弦擬合等步驟，在顯著提升TIADC性能的同時，有效降低了校準的復雜性，減小了運算量，從而提高了校準效率。
【專利說明】
一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于等效采樣的時域交替模數(shù) 轉(zhuǎn)換器失配校準方法。
【背景技術(shù)】
[0002] TIADC即時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過若干路ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)交叉采樣，在兼顧采 樣精度的同時，大幅度提高了采樣率，廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
[0003] TIADC由Μ個并行的獨立ADC組成，每個ADC以fADC的采樣率交替對輸入信號進行采 樣，通過對交替采樣數(shù)據(jù)的重組，得到一組具有采樣率為Μ · fADC的輸出數(shù)據(jù)，相當于將采樣 率提高了Μ倍。
[0004] 但交叉采樣引起的失配誤差會降低TIADC系統(tǒng)的整體性能，導致有效量化位數(shù)的 下降，必須通過校準予以消除。TIADC主要存在三種失配誤差:偏置誤差、增益誤差和相位誤 差。在使用TIADC芯片時，必須進行失配校準，使其偏置、增益、相位的性能一致，從而達到理 想的采樣效果。
[0005] 對TIADC的失配誤差參數(shù)的估算，大多采用正弦波擬合估算方法。該方法的實現(xiàn)過 程是通過給TIADC系統(tǒng)輸入一個正弦波，然后分別得到各個ADC的釆樣數(shù)據(jù)，對每個ADC通道 的采樣數(shù)據(jù)都進行正弦波擬合，就可以得到各個通道的ADC在該頻率下的偏置、增益和相位 信息。
[0006] 對于任意的一個正弦波，可以用下式來表示：
[0007] y=A〇cos( ω〇t)+B〇sin( ω〇t)+C〇 (1)
[0008] 其中，ω 〇為輸入正弦波信號的頻率。
[0009] 設(shè)數(shù)據(jù)采集序列的Ν點數(shù)據(jù)為71，y2，…，yN，采集時刻分別為。，t 2，…，tN，使用最小 二乘法進行二參數(shù)擬合求得At)、B〇、Co，使得如下的方差最?。?br>[0010]
[0011]
[0012]
[0013]
[0014]
(5)
[0015] 公式(2)的方差可以表示如下：
[0016] (y-Doxo)T(y-Doxo) (6)
[0017]其中，式中（*)τ為矩陣(*)的轉(zhuǎn)置矩陣。
[0018] 用最小二乘法可求出使(6)式的值最小的xq，公式如下：
[0019] x〇=(DoTDo)_1(DoTy) (7)
[0020] 從而得到擬合后的正弦波：
[0021] yn' =Aocos( ω〇tn)+Bosin( ω〇tn)+Co (8)
[0022] 轉(zhuǎn)化為幅度、相位，表示如下：
[0023] yn' =Acos( ω〇tn+9)+C (9)
[0024] 由此，釆樣正弦波擬合的方法可以得到各個ADC通道的偏置、增益和相位信息，從 而得到TIADC的失配誤差，根據(jù)誤差參數(shù)即可進一步對TIADC進行校準。
[0025]采用正弦波擬合估算方法進行TIADC的失配估算校準，需要大量的擬合運算，當 ADC通道數(shù)量增多時，則需要更大的計算量和更多的計算時間，因此效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的TIADC的失配估算校準采用正弦波擬合估算方法，需 要大量的擬合運算，當ADC通道數(shù)量較多時，需要更大的計算量和時間，容易造成效率低的 不足，提出了一種基于等效采樣原理，將每一個ADC通道的多個周期的采樣數(shù)據(jù)重疊組合在 一個周期內(nèi)，通過比較各通道ADC重疊組合波形的平均值、幅度值和相位，實現(xiàn)了TIADC的偏 置失配、增益失配和相位失配的同時校準的一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配 校準方法。
[0027]本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：
[0028] -種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法，具體包括以下步驟：
[0029] 步驟一，讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器各通道的采樣數(shù)據(jù)；
[0030] 步驟二，將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等效波形數(shù)據(jù)，首先判斷每個采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)等效波形 數(shù)據(jù)中的位置，對于第i個采樣數(shù)據(jù)，先求出其采樣時間與信號源周期的倍數(shù)關(guān)系，再計算 出多出的采樣時間，根據(jù)等效采樣的分辨率，得到其在等效波形數(shù)據(jù)中的對應(yīng)位置，將采樣 數(shù)據(jù)放入等效波形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，處理完全部的采樣數(shù)據(jù)，即得到了每個通道的等效波形 數(shù)據(jù)；
[0031] 其中，i表示采樣數(shù)據(jù)的位次，為自然數(shù)。
[0032] 步驟三，計算各通道對應(yīng)等效波形數(shù)據(jù)的平均值、幅度值和過零點時間；
[0033] 步驟四，以第一個通道的數(shù)據(jù)為基準值，得到其余各通道的偏移誤差、增益誤差和 相位誤差參數(shù)；
[0034]步驟五，若其余各通道數(shù)據(jù)等于基準值，校準完成，若其余各通道數(shù)據(jù)不等于基準 值，根據(jù)誤差結(jié)果，調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器其余各通道的偏置寄存器、增益寄存器和相位寄存器的 設(shè)置值，調(diào)整偏差，返回步驟一重新讀取采樣數(shù)據(jù)。
[0035]優(yōu)選地，所述步驟二中，取采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)為等效波形數(shù)據(jù)一個周期的數(shù)據(jù)個數(shù) 的Μ倍，使等效波形的每個數(shù)據(jù)點產(chǎn)生Μ個等效點，等效波形的每個數(shù)據(jù)點的數(shù)值取這Μ個等 效點數(shù)據(jù)的平均值。
[0036]其中Μ表示為自然數(shù)。
[0037] 優(yōu)選地，所述偏置寄存器的設(shè)置方法采用在原值的基礎(chǔ)上加上相應(yīng)的誤差參數(shù)， 增益寄存器的設(shè)置方法采用在原值的基礎(chǔ)上除以誤差參數(shù)，相位寄存器的設(shè)置方法采用在 原值基礎(chǔ)上減去誤差參數(shù)。
[0038] 本發(fā)明具有的有益效果是：該基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方 法，通過讀取ADC芯片的采樣數(shù)據(jù)，從而得到芯片中每一個ADC通道的采樣數(shù)據(jù)，基于等效采 樣原理，將每一個ADC通道的多個周期的采樣數(shù)據(jù)重疊組合在一個周期內(nèi)，通過比較各通道 ADC重疊組合波形的平均值、幅值范圍和相位，實現(xiàn)了 TIADC的偏置失配、增益失配和相位失 配的同時校準，免除了傳統(tǒng)估算方法的正弦擬合等步驟，在顯著提升TIADC性能的同時，有 效降低了校準的復雜性，減小了運算量，從而提高了校準效率。
【附圖說明】
[0039] 圖1為該基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法的校準流程圖；
[0040] 圖2為各通道采樣位置對應(yīng)示意圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步說明：
[0042] 如圖1所示，一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法，具體包括以 下步驟：
[0043] 步驟一，讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器各通道的采樣數(shù)據(jù)；
[0044]步驟二，將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等效波形數(shù)據(jù)，首先判斷每個采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)等效波形 數(shù)據(jù)中的位置，對于第i個采樣數(shù)據(jù)，先求出其采樣時間與信號源周期的倍數(shù)關(guān)系，再計算 出多出的采樣時間，根據(jù)等效采樣的分辨率，得到其在等效波形數(shù)據(jù)中的對應(yīng)位置，將采樣 數(shù)據(jù)放入等效波形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，處理完全部的采樣數(shù)據(jù)，即得到了每個通道的等效波形 數(shù)據(jù)；
[0045] 步驟三，計算各通道對應(yīng)等效波形數(shù)據(jù)的平均值、幅度值和過零點時間；
[0046] 步驟四，以第一個通道的數(shù)據(jù)為基準值，得到其余各通道的偏移誤差、增益誤差和 相位誤差參數(shù)；
[0047]步驟五，若其余各通道數(shù)據(jù)等于基準值，校準完成，若其余各通道數(shù)據(jù)不等于基準 值，根據(jù)誤差結(jié)果，調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器其余各通道的偏置寄存器、增益寄存器和相位寄存器的 設(shè)置值，調(diào)整偏差，返回步驟一重新讀取采樣數(shù)據(jù)。
[0048] 其中，步驟二中，取采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)為等效波形數(shù)據(jù)一個周期的數(shù)據(jù)個數(shù)的Μ倍， 使等效波形的每個數(shù)據(jù)點產(chǎn)生Μ個等效點，等效波形的每個數(shù)據(jù)點的數(shù)值取這Μ個等效點數(shù) 據(jù)的平均值。
[0049] 其中Μ表示為自然數(shù)。
[0050] 偏置寄存器的設(shè)置方法采用在原值的基礎(chǔ)上加上相應(yīng)的誤差參數(shù)，增益寄存器的 設(shè)置方法采用在原值的基礎(chǔ)上除以誤差參數(shù)，相位寄存器的設(shè)置方法采用在原值基礎(chǔ)上減 去誤差參數(shù)。
[0051] 該基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法的原理為：
[0052] 對于輸入頻率為fsiN，幅度為A，初始相位為Θ，直流分量為Z的單一正弦波，TIADC各 通道的輸出值為：
[0053] YK(t) = AGKsin(23ifsiN(t+K Δ tSM+ A ?κ)+θ)+Ζ+Ζκ (10)
[0054] 式中，K為通道的編號，從0開始，YK(t)為K通道t時刻采樣的信號幅值，GK為K通道的 增益，At SM為系統(tǒng)的采樣間隔，即各通道間的延時時間，AtK為Κ通道的時間失配誤差，Ζκ為 Κ通道的偏置失配誤差。
[0055] 對TIADC的校準是以一個通道為基準，將其它通道的GK、Δ tK、ZK調(diào)至與基準通道一 致。如果以0通道為基準，校準結(jié)束后，各通道的輸出為：
[0056] YK(t)=AGosin(23ifsiN(t+KA tsM)+23ifsiNA to+9)+Z+Zo (11)
[0057] 由公式（11)可以看出，各通道的正弦波，波形是完全一樣的，是基準正弦波在時間 軸上按通道間理論延時的平移。如果我們能得到各通道的正弦波，通過幅度調(diào)節(jié)、偏移調(diào) 節(jié)、平移等操作，最終能實現(xiàn)各通道波形完全一致，即可實現(xiàn)校準。
[0058]如果每個通道的采樣率足夠高，可以近似地認為采樣得到的正弦波是連續(xù)的，各 個通道的正弦波可以直接比較是否一致。隨著采樣率的降低，前一個通道采樣的正弦波位 置，不能保證都被后面的通道采集到，反之亦然。如圖2(A)所示，在圖中，0通道的采樣時刻 對應(yīng)的波形位置，無法在1通道被采集到，因此失去了比較的基礎(chǔ)。只有通過復雜的擬合計 算，復原出連續(xù)的正弦波才能進行比較。
[0059]如果能實現(xiàn)高分辨率插值，每個通道的正弦波的采樣位置都可以一一對應(yīng)，如圖2 (B)所示，通過直接比較采樣結(jié)果即可得到通道失配的各種誤差參數(shù)，為后期的校準提供依 據(jù)。
[0060] 設(shè)單個通道的采樣周期為TADC，按下面的公式（12)來設(shè)置輸入校準正弦波的周期 Tsin，式中N為整數(shù)，Tes為等效米樣間隔。
[0061] Tsin = NTadc+Tes (12)
[0062] 通過這樣的設(shè)置，信號的每個周期結(jié)束后，都相當于采樣點基于采樣周期向后多 延時了TES時間，通過將多個連續(xù)周期的采樣數(shù)據(jù)疊加在同一個周期上進行數(shù)據(jù)重組，基于 等效采樣的方式，即實現(xiàn)了高分辨率插值。
[0063]最后，計算各通道ADC等效波形的平均值、幅值和相位。等效正弦波所有數(shù)據(jù)點的 平均值，對應(yīng)了該通道的偏置誤差;等效正弦波的幅度，對應(yīng)了該通道的增益誤差;求出等 效正弦波的過零點位置，相互之間的差值對應(yīng)了各通道之間的采樣延時，即相位誤差。由此 根據(jù)等效采樣波形，實現(xiàn)了 TIADC的偏置失配、增益失配和相位失配的同時校準。
[0064]下面結(jié)合一個實例進行說明。
[0065] 采用一個4通道的TIADC，每個通道的采樣率為1.25GHz，采樣間隔為0.8ns，4個ADC 通道交替采樣，每兩個通道的采樣延時為0.2ns。
[0066] 校準信號源采用標準的正弦波，頻率為414.938MHz，周期為2.41ns，比三個采樣間 隔多出0.01ns，這樣最終合成的等效采樣正弦波的時間分辨率為0.01ns，一個周期對應(yīng)有 241個等效采樣點。
[0067]設(shè)信號源的周期為Tinns，等效采樣波形的合成步驟如下：
[0068] 1.道ADC的采樣數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)為N。
[0069] 2.判斷每個采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)等效波形中的位置，對于第i個采樣數(shù)據(jù)，先求出其采樣 時間與信號源周期的倍數(shù)關(guān)系：
[0070] iNum= i*0 · 8/Tin
[0071] 再計算出多出的采樣時間，根據(jù)等效采樣的分辨率，得到其在等效波形中的對應(yīng) 位置。
[0072] iPos = (i*0 · 8_ iNum*Tin)/0 · 01
[0073] 3.將采樣數(shù)據(jù)放入等效采樣波形的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。
[0074] 4.處理完全部的采樣數(shù)據(jù)，即得到了每通道的等效采樣波形。特別地，可以取采樣 數(shù)據(jù)的個數(shù)為等效采樣波形一個周期的數(shù)據(jù)個數(shù)的Μ倍，這樣等效波形的每個數(shù)據(jù)點具有Μ 個等效點，取這Μ個等效點數(shù)據(jù)的平均值做為每個數(shù)據(jù)點的數(shù)值，達到去噪聲的目的，從而 提高了等效采樣波形的精度，得到更精確的誤差參數(shù)。
[0075] 5.計算每通道對應(yīng)等效采樣波形的平均值、幅度值和過零點對應(yīng)的時間。
[0076] 6.以第一個通道為基準，得到其余各通道的偏置、增益和相位誤差參數(shù)。
[0077] 7.根據(jù)誤差結(jié)果調(diào)整其余各通道ADC的偏置、增益和相位寄存器設(shè)置值。不同的 TIADC芯片，相應(yīng)的寄存器的設(shè)置方法會有所區(qū)別。以EV8AQ165為例，偏置寄存器是在當前 值基礎(chǔ)上加上相應(yīng)的誤差參數(shù)，相位寄存器是在當前值基礎(chǔ)上減去相應(yīng)的誤差參數(shù)，增益 寄存器是在當前值基礎(chǔ)上除以誤差參數(shù)。
[0078] 8.返回步驟1重新讀取采樣數(shù)據(jù)，并進行后續(xù)的計算處理，當各通道ADC等效波形 的計算結(jié)果與基準值相等時，校準完成，從而實現(xiàn)了 TIADC的偏置失配、增益失配和相位失 配的同時校準。
[0079]當然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的 保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法，其特征在于，具體包括以 下步驟： 步驟一，讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器各通道的采樣數(shù)據(jù)； 步驟二，將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等效波形數(shù)據(jù)，首先判斷每個采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)等效波形數(shù)據(jù) 中的位置，對于第i個采樣數(shù)據(jù)，先求出其采樣時間與信號源周期的倍數(shù)關(guān)系，再計算出多 出的采樣時間，根據(jù)等效采樣的分辨率，得到其在等效波形數(shù)據(jù)中的對應(yīng)位置，將采樣數(shù)據(jù) 放入等效波形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，處理完全部的采樣數(shù)據(jù)，即得到了每個通道的等效波形數(shù)據(jù)； 步驟三，計算各通道對應(yīng)等效波形數(shù)據(jù)的平均值、幅度值和過零點時間； 步驟四，以第一個通道的數(shù)據(jù)為基準值，得到其余各通道的偏移誤差、增益誤差和相位 誤差參數(shù)； 步驟五，若其余各通道數(shù)據(jù)等于基準值，校準完成，若其余各通道數(shù)據(jù)不等于基準值， 根據(jù)誤差結(jié)果，調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器其余各通道的偏置寄存器、增益寄存器和相位寄存器的設(shè) 置值，調(diào)整偏差，返回步驟一重新讀取采樣數(shù)據(jù)。2. 如權(quán)利要求1所示的一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法，其特 征在于，所述步驟二中，取采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)為等效波形數(shù)據(jù)一個周期的數(shù)據(jù)個數(shù)的M倍，使 等效波形的每個數(shù)據(jù)點產(chǎn)生M個等效點，等效波形的每個數(shù)據(jù)點的數(shù)值取這M個等效點數(shù)據(jù) 的平均值。3. 如權(quán)利要求1所示的一種基于等效采樣的時域交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器失配校準方法，其特 征在于，所述偏置寄存器的設(shè)置方法采用在原值的基礎(chǔ)上加上相應(yīng)的誤差參數(shù)，增益寄存 器的設(shè)置方法采用在原值的基礎(chǔ)上除以誤差參數(shù)，相位寄存器的設(shè)置方法采用在原值基礎(chǔ) 上減去誤差參數(shù)。
【文檔編號】H03M1/10GK105933005SQ201610242275
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月19日
【發(fā)明人】向前, 劉洪慶, 楊江濤
【申請人】中國電子科技集團公司第四十研究所, 中國電子科技集團公司第四十一研究所