介紹
看出技術手冊之外的資訊是處於困境的系統層級設計者在挑選高解析度精密ADC時所要面對的狀況。本文將會提供能夠協助他們直覺的看出在傳統技術手冊範圍之外資訊的知識。此將有助於設計者識別關鍵性參數，並且將它們連結在一起以便更進一步的洞察技術手冊以外的資訊，例如轉換雜訊與SNR(信號雜訊比)。
看出技術手冊之外的資訊是處於困境的系統層級設計者在挑選高解析度精密ADC時所要面對的狀況。本文將會提供能夠協助他們直覺的看出在傳統技術手冊範圍之外資訊的知識。此將有助於設計者識別關鍵性參數，並且將它們連結在一起以便更進一步的洞察技術手冊以外的資訊，例如轉換雜訊與SNR(信號雜訊比)。
在挑選的過程中，設計者可能必須要將整體效率的ADC、功率、尺寸以及價格納入考量。於此同時也要注意的是在耐奎斯特頻寬中的靜態與動態性能。最後，本文將介紹一套能夠協助看出技術手冊以外資訊的工具套組，此將有助於決定如何挑選一顆精密ADC以使用於即將推出的全新系統設計。
本文中會特別討論ADI的18位元PulSAR ADC-AD 7960的性能, 如同透過工具套件所展示的，並且舉例說明系統設計者目前在市場中高解析度精密ADC產品時所面臨的挑戰。
ATE系統領導廠商LTX-Credence已經開發出「特徵分析（Signature Analysis）」工具套件，用以分析AD 7960等級的轉換器產品以適用於ATE市場領域的高階儀器上。該工具套件乃是鎖定在需要對轉換函數做謹慎分析，或是對與刺激輸入相關的「黑盒子」輸出進行直接量測的系統。
ADI先進的18位元、5 MSPS精密PulSAR® 差動ADC
使用於多通道醫療成像以及其它超取樣應用中的高性能、精密資料蒐集系統，需要有最為先進的ADC。AD 7960 18位元、5 MSPS PulSAR® 差動ADC(如圖5所示)採用ADI專利的電容式數位類比轉換器（CAPDAC）技術，提供前所未有的雜訊與線性度，而不會有延遲或是管線延遲。AD 7960會在轉換功能啟動之後大約100 ns之後返回蒐集模式，而且其蒐集時間大約是總週期時間的50％。因此它具有與第二快速的18位元SAR ADC幾近相同的蒐集時間，但是速度卻比後者快了兩倍。這使得AD 7960很容易驅動，並因而舒緩了ADC驅動器的穩定時間需求的重任。該元件提供廣大的頻寬、高精確度（INL：± 0.8 LSB，SNR：99 dB與THD：-117 dB，一般情況下），以及高階資料蒐集系統所需要的快速取樣（200 ns），同時顯著的降低多通道應用的功率消耗與成本。
圖1:AD 7960的功能方塊圖
AD 7960能夠以1.8 V與5 V的供電運作，在自我時脈同步（self-clocked）模式下以5 MSPS進行轉換時只需消耗39 mW，在回波時脈（echoed-clock）模式下以5 MSPS進行轉換時只需消耗46.5 mW。該元件的功率消耗與取樣速率呈現線性比例(如圖2所示)，因此很適合使用於低功率應用。
圖2:AD 7960的功率消耗 vs. 傳輸率
在非常低的取樣速率下的功率消耗是由LVDS靜態功率所主宰。相較於業界第二快的18位元SAR ADC，AD 7960具有其兩倍的速度，但是功率消耗只有其70％，佔位面積則只有其50％。
AD 7960系列提供了三個外部參考電壓選項：2.048 V、4.096 V、以及5 V。晶片內建的緩衝器能夠將2.048 V的參考電壓加倍，因此參考轉換電壓為4.096 V或是5 V。
AD 7960系列數位介面使用低電壓差動信號傳輸（LVDS），提供自我同步與回波時脈模式，藉以實現在ADC和數位主機間高達300 MHz（CLK ± 與D ±）的高速資料傳輸。LVDS介面能夠降低數位信號的數量與緩解信號的路由，因為多組元件可以分享一組共用的時脈。這也可以降低功率消耗，在多工應用領域當中這點特別的有用。自我時脈同步模式簡化了與主要處理器的的介面，以一個能夠將來自於每次轉換的資料加以同步化的標頭(header)來實現複雜時序。當每個系統都使用許多ADC而且電路板空間、功率消耗與佈局路由的限制出現時，這種模式特別的有幫助。需要有一組標頭來讓數位主機能夠蒐集資料輸出，這是因為缺乏與資料同步化的時脈輸出。當每個系統都使用較少ADC，而且沒有電路板空間或是功率消耗的約束時，回波時脈模式就會相當有用。這種模式以一個額外的差動對（DCO ±）提供強固的時序。
LTX-Credence的「特徵分析」工具套件
利用取得傳統技術手冊之外資料的想法，以下是一個與ADC相互作用的特徵分析工具套件的簡化圖。目前的技術手冊在性能與結構上相當的類似，因為轉換器市場對於性能會在何處需要針對價格與功率加以權衡早就已經掌握了重點。但是這些權衡需要付出什麼代價呢？我們現在把焦點轉到如何辨別轉換器的實際性能上面。
利用取得傳統技術手冊之外資料的想法，以下是一個與ADC相互作用的特徵分析工具套件的簡化圖。目前的技術手冊在性能與結構上相當的類似，因為轉換器市場對於性能會在何處需要針對價格與功率加以權衡早就已經掌握了重點。但是這些權衡需要付出什麼代價呢？我們現在把焦點轉到如何辨別轉換器的實際性能上面。
圖3:與ADC相互作用的特徵分析工具套件的簡化圖
特徵分析資料流
特徵分析工具套件已經證明了將資料分析推向轉換器實際性能所在的演算法則能夠被加以評估，並且使它們超越其以往所發佈的元件技術手冊規格。該工具套件原本就是要開發成為一個評估用的媒介，藉以明確的指定適合LTXC新發表的工業標準超高精密度混合信號通道卡---轉換器測試模組（DCTM）的次世代元件。身為DCTM成功的直接結果工具套件，其能夠提供一個用以驗證、指定以及對所有編碼展現轉換器特色的方法。DCTM與資料處理演算法則---特別是針對轉換器測試所開發的，為IC生產廠商提供了一個額外的競爭優勢，使他們的轉換器產品在市場上能夠與眾不同。身為同級產品中最佳的混合信號通道卡，DCTM在評估轉換器的性能時超越了常見的標準基準儀器。
分別皆擁有專利的設計技術與資料處理工具套件的結合，對於使用在測試、驗證的標準建立，以及在展現高解析度轉換器完整轉換功能的特色來說已經達到頂峰。
特徵分析工具套件對轉換器的轉換功能提供了極具價值的深入洞察，有助於終端使用者挑選特殊的轉換器。這樣的洞察也為產品開發團隊提供了關於轉換器轉換函數相對於理想轉換器偏差的精密回授。辨識轉換函數中的擾亂是一個相當熟悉的觀念。然而，將擾亂發生處加以隔離的能力已經被證實對於系統開發過程來說是無價的。
測試案例：使用特徵分析工具套件評估AD 7960
呈現在此的是利用LTX-Credence特徵分析工具套件所獲得有關於轉換器的相關資訊。
呈現在此的是利用LTX-Credence特徵分析工具套件所獲得有關於轉換器的相關資訊。
線性度以及動態性能對於高解析度精密轉換器而言是兩項重要的測試需求。這些測試是使用工具套件針對AD 7960進行分析與顯示後，繪製圖表如圖4與圖5。這些參數也可以在AD 7960技術手冊中找到。
圖4:AD 7960針對INL與DNL線性圖表的靜態性能
信號的整合性與測試設備類比儀器的性能，對於AD 7960以及整個資料蒐集系統品質的判定來說是極為重要的。這項有關於信號整合性的事實，在檢視轉換器的最終結果時有時候是「不用翻譯的」。應該要注意的是測試者的信號調節網路、參考設計以及電源供應確實促成了圖4與圖5所示的總體量測性能當中。
圖5:AD 7960的動態性能
以特徵工具套件對AD 7960的資料組進行後製處理，可以決定轉換器相對於其全範圍的雜訊性能。LTXC已經開發出能夠重建高解析度轉換器雜訊對應所有編碼的方法，如圖6中所示。從透過已發佈的技術手冊來看，轉換器的雜訊性能現在能夠完整的對應所有編碼而展現其特性，而非以往的簡短輸入或是以數個其它不同的轉換器位準呈現。這種方法提供了對於轉換器以及蒐集系統更為廣泛的視野。
透過利用工具套件而獲得的資訊組，使用者可以確認穩定度、預測SNR、方法的重複性與再現性，以及潛在雜訊的問題，而將其組成一個程式碼的函數。這種延伸出來的資料在現今的技術手冊中是找不到的，但其能夠輔助設計者挑選可以廣泛使用於所有編碼的轉換器。除了利用工具套件做為回授機制以便使未來的系統層級設計與眾不同以外，它也被當成一套顯示轉換器信號整合性的展示工具。
圖6:包含所有ADC編碼的AD 7960 雜訊響應
為了總結以上重點，圖6展示了AD 7960對應所有編碼所衍生的雜訊，亦即262,144 （218）種編碼。此類型的雜訊響應就是單一編碼直方圖所無法揭露出來的。從系統層級的觀點來說，在實際使用上這點相當的重要。舉例來說，ATE生產廠商會使用轉換器的全部轉換功能而非單一編碼方法，從而加強轉換器對於系統層級設計者的吸引力。
正如同使用AD 7960的狀況一樣，圖4中顯示出在轉換功能上並沒有明顯的偏移或是任何特定的不連續性，從而展現出系統的能力。從圖6的雜訊圖表中更深入研究時，SNR可以利用如下的公式1導出。
公式1
量測所得的SNR為99.2 dBFS，如圖3所示。對於以方程式1所計算出來之100.7 dB雜訊位準，此提供了1.5dB以內所有編碼雜訊測試的相關聯位準。此外，工具套件還有內建功能可以將資訊進行後製處理，以便對AD 7960的實際性能提供更精細的觀察。
結論
正在評估高階轉換器的系統級設計者將會發現到，這些類型的結果在他們的轉換器挑選過程中是無價的，因為他們可以在性能、功率以及價格等關鍵性指標中做為權衡的指導。利用特徵工具套件，設計者可以直覺的檢視傳統技術手冊的規格之外的資訊，並且辨別關鍵性參數性能指標，藉以回饋、改善與驗證次世代儀器的設計。如同文中曾舉例提到的，AD 7960具有最低的功率以及高階儀器和多通道資料蒐集系統所需要的高精確度，並以此在雜訊方面提供了突破性的性能。
正在評估高階轉換器的系統級設計者將會發現到，這些類型的結果在他們的轉換器挑選過程中是無價的，因為他們可以在性能、功率以及價格等關鍵性指標中做為權衡的指導。利用特徵工具套件，設計者可以直覺的檢視傳統技術手冊的規格之外的資訊，並且辨別關鍵性參數性能指標，藉以回饋、改善與驗證次世代儀器的設計。如同文中曾舉例提到的，AD 7960具有最低的功率以及高階儀器和多通道資料蒐集系統所需要的高精確度，並以此在雜訊方面提供了突破性的性能。
參考資料
Maithil Pachchigar. High-Performance Data-Acquisition System Enhances Images for Digital X-Ray and MRI, Analog Dialogue, Vol. 48, No. 1, October 2013
Maithil Pachchigar. Imaging Improvements: High performance data acquisition system enhances images for digital X-ray and MRI, New Electronics (UK), October 2013
Richard Liggiero. Testing Data Converters - The ADC Test Development Tool Kit, The LTXC Blog, Sep. 25, 2012
Richard Liggiero. Testing Data Converters - The ADC Test Development Tool Kit - Part 2, The LTXC Blog, Sep. 27, 2012
Maithil Pachchigar. High-Performance Data-Acquisition System Enhances Images for Digital X-Ray and MRI, Analog Dialogue, Vol. 48, No. 1, October 2013
Maithil Pachchigar. Imaging Improvements: High performance data acquisition system enhances images for digital X-ray and MRI, New Electronics (UK), October 2013
Richard Liggiero. Testing Data Converters - The ADC Test Development Tool Kit, The LTXC Blog, Sep. 25, 2012
Richard Liggiero. Testing Data Converters - The ADC Test Development Tool Kit - Part 2, The LTXC Blog, Sep. 27, 2012
