一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法，具体涉及模拟数字转换技术领域。其解决了现有的TIADC的失配估算校准采用正弦波拟合估算方法，需要大量的拟合运算，当ADC通道数量较多时，需要更大的计算量和时间，容易造成效率低的不足。该方法通过读取ADC芯片的采样数据，从而得到芯片中每一个ADC通道的采样数据，基于等效采样原理，将每一个ADC通道的多个周期的采样数据重叠组合在一个周期内，通过比较各通道ADC重叠组合波形的平均值、幅值范围和相位，实现了TIADC的偏置失配、增益失配和相位失配的同时校准，免除了传统估算方法的正弦拟合等步骤，在显著提升TIADC性能的同时，有效降低了校准的复杂性，减小了运算量，从而提高了校准效率。
【专利说明】
一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法
技术领域
[0001] 本发明涉及模拟数字转换技术领域，具体涉及一种基于等效采样的时域交替模数 转换器失配校准方法。
【背景技术】
[0002] TIADC即时域交替模数转换器，通过若干路ADC(模数转换器)交叉采样，在兼顾采 样精度的同时，大幅度提高了采样率，广泛应用于高速数据采集系统中。
[0003] TIADC由Μ个并行的独立ADC组成，每个ADC以fADC的采样率交替对输入信号进行采 样，通过对交替采样数据的重组，得到一组具有采样率为Μ · fADC的输出数据，相当于将采样 率提高了Μ倍。
[0004] 但交叉采样引起的失配误差会降低TIADC系统的整体性能，导致有效量化位数的 下降，必须通过校准予以消除。TIADC主要存在三种失配误差:偏置误差、增益误差和相位误 差。在使用TIADC芯片时，必须进行失配校准，使其偏置、增益、相位的性能一致，从而达到理 想的采样效果。
[0005] 对TIADC的失配误差参数的估算，大多采用正弦波拟合估算方法。该方法的实现过 程是通过给TIADC系统输入一个正弦波，然后分别得到各个ADC的釆样数据，对每个ADC通道 的采样数据都进行正弦波拟合，就可以得到各个通道的ADC在该频率下的偏置、增益和相位 信息。
[0006] 对于任意的一个正弦波，可以用下式来表示：
[0007] y=A〇cos( ω〇t)+B〇sin( ω〇t)+C〇 (1)
[0008] 其中，ω 〇为输入正弦波信号的频率。
[0009] 设数据采集序列的Ν点数据为71，y2，…，yN，采集时刻分别为。，t 2，…，tN，使用最小 二乘法进行二参数拟合求得At)、B〇、Co，使得如下的方差最小：
[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为矩阵(*)的转置矩阵。
[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] 从而得到拟合后的正弦波：
[0021] yn' =Aocos( ω〇tn)+Bosin( ω〇tn)+Co (8)
[0022] 转化为幅度、相位，表示如下：
[0023] yn' =Acos( ω〇tn+9)+C (9)
[0024] 由此，釆样正弦波拟合的方法可以得到各个ADC通道的偏置、增益和相位信息，从 而得到TIADC的失配误差，根据误差参数即可进一步对TIADC进行校准。
[0025]采用正弦波拟合估算方法进行TIADC的失配估算校准，需要大量的拟合运算，当 ADC通道数量增多时，则需要更大的计算量和更多的计算时间，因此效率较低。
【发明内容】
[0026]本发明的目的是针对现有的TIADC的失配估算校准采用正弦波拟合估算方法，需 要大量的拟合运算，当ADC通道数量较多时，需要更大的计算量和时间，容易造成效率低的 不足，提出了一种基于等效采样原理，将每一个ADC通道的多个周期的采样数据重叠组合在 一个周期内，通过比较各通道ADC重叠组合波形的平均值、幅度值和相位，实现了TIADC的偏 置失配、增益失配和相位失配的同时校准的一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配 校准方法。
[0027]本发明具体采用如下技术方案：
[0028] -种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法，具体包括以下步骤：
[0029] 步骤一，读取模数转换器各通道的采样数据；
[0030] 步骤二，将采样数据转化为等效波形数据，首先判断每个采样数据对应等效波形 数据中的位置，对于第i个采样数据，先求出其采样时间与信号源周期的倍数关系，再计算 出多出的采样时间，根据等效采样的分辨率，得到其在等效波形数据中的对应位置，将采样 数据放入等效波形数据缓冲区中，处理完全部的采样数据，即得到了每个通道的等效波形 数据；
[0031] 其中，i表示采样数据的位次，为自然数。
[0032] 步骤三，计算各通道对应等效波形数据的平均值、幅度值和过零点时间；
[0033] 步骤四，以第一个通道的数据为基准值，得到其余各通道的偏移误差、增益误差和 相位误差参数；
[0034]步骤五，若其余各通道数据等于基准值，校准完成，若其余各通道数据不等于基准 值，根据误差结果，调整模数转换器其余各通道的偏置寄存器、增益寄存器和相位寄存器的 设置值，调整偏差，返回步骤一重新读取采样数据。
[0035]优选地，所述步骤二中，取采样数据的个数为等效波形数据一个周期的数据个数 的Μ倍，使等效波形的每个数据点产生Μ个等效点，等效波形的每个数据点的数值取这Μ个等 效点数据的平均值。
[0036]其中Μ表示为自然数。
[0037] 优选地，所述偏置寄存器的设置方法采用在原值的基础上加上相应的误差参数， 增益寄存器的设置方法采用在原值的基础上除以误差参数，相位寄存器的设置方法采用在 原值基础上减去误差参数。
[0038] 本发明具有的有益效果是：该基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方 法，通过读取ADC芯片的采样数据，从而得到芯片中每一个ADC通道的采样数据，基于等效采 样原理，将每一个ADC通道的多个周期的采样数据重叠组合在一个周期内，通过比较各通道 ADC重叠组合波形的平均值、幅值范围和相位，实现了 TIADC的偏置失配、增益失配和相位失 配的同时校准，免除了传统估算方法的正弦拟合等步骤，在显著提升TIADC性能的同时，有 效降低了校准的复杂性，减小了运算量，从而提高了校准效率。
【附图说明】
[0039] 图1为该基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法的校准流程图；
[0040] 图2为各通道采样位置对应示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明的【具体实施方式】做进一步说明：
[0042] 如图1所示，一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法，具体包括以 下步骤：
[0043] 步骤一，读取模数转换器各通道的采样数据；
[0044]步骤二，将采样数据转化为等效波形数据，首先判断每个采样数据对应等效波形 数据中的位置，对于第i个采样数据，先求出其采样时间与信号源周期的倍数关系，再计算 出多出的采样时间，根据等效采样的分辨率，得到其在等效波形数据中的对应位置，将采样 数据放入等效波形数据缓冲区中，处理完全部的采样数据，即得到了每个通道的等效波形 数据；
[0045] 步骤三，计算各通道对应等效波形数据的平均值、幅度值和过零点时间；
[0046] 步骤四，以第一个通道的数据为基准值，得到其余各通道的偏移误差、增益误差和 相位误差参数；
[0047]步骤五，若其余各通道数据等于基准值，校准完成，若其余各通道数据不等于基准 值，根据误差结果，调整模数转换器其余各通道的偏置寄存器、增益寄存器和相位寄存器的 设置值，调整偏差，返回步骤一重新读取采样数据。
[0048] 其中，步骤二中，取采样数据的个数为等效波形数据一个周期的数据个数的Μ倍， 使等效波形的每个数据点产生Μ个等效点，等效波形的每个数据点的数值取这Μ个等效点数 据的平均值。
[0049] 其中Μ表示为自然数。
[0050] 偏置寄存器的设置方法采用在原值的基础上加上相应的误差参数，增益寄存器的 设置方法采用在原值的基础上除以误差参数，相位寄存器的设置方法采用在原值基础上减 去误差参数。
[0051] 该基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法的原理为：
[0052] 对于输入频率为fsiN，幅度为A，初始相位为Θ，直流分量为Z的单一正弦波，TIADC各 通道的输出值为：
[0053] YK(t) = AGKsin(23ifsiN(t+K Δ tSM+ A ?κ)+θ)+Ζ+Ζκ (10)
[0054] 式中，K为通道的编号，从0开始，YK(t)为K通道t时刻采样的信号幅值，GK为K通道的 增益，At SM为系统的采样间隔，即各通道间的延时时间，AtK为Κ通道的时间失配误差，Ζκ为 Κ通道的偏置失配误差。
[0055] 对TIADC的校准是以一个通道为基准，将其它通道的GK、Δ tK、ZK调至与基准通道一 致。如果以0通道为基准，校准结束后，各通道的输出为：
[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，波形是完全一样的，是基准正弦波在时间 轴上按通道间理论延时的平移。如果我们能得到各通道的正弦波，通过幅度调节、偏移调 节、平移等操作，最终能实现各通道波形完全一致，即可实现校准。
[0058]如果每个通道的采样率足够高，可以近似地认为采样得到的正弦波是连续的，各 个通道的正弦波可以直接比较是否一致。随着采样率的降低，前一个通道采样的正弦波位 置，不能保证都被后面的通道采集到，反之亦然。如图2(A)所示，在图中，0通道的采样时刻 对应的波形位置，无法在1通道被采集到，因此失去了比较的基础。只有通过复杂的拟合计 算，复原出连续的正弦波才能进行比较。
[0059]如果能实现高分辨率插值，每个通道的正弦波的采样位置都可以一一对应，如图2 (B)所示，通过直接比较采样结果即可得到通道失配的各种误差参数，为后期的校准提供依 据。
[0060] 设单个通道的采样周期为TADC，按下面的公式（12)来设置输入校准正弦波的周期 Tsin，式中N为整数，Tes为等效米样间隔。
[0061] Tsin = NTadc+Tes (12)
[0062] 通过这样的设置，信号的每个周期结束后，都相当于采样点基于采样周期向后多 延时了TES时间，通过将多个连续周期的采样数据叠加在同一个周期上进行数据重组，基于 等效采样的方式，即实现了高分辨率插值。
[0063]最后，计算各通道ADC等效波形的平均值、幅值和相位。等效正弦波所有数据点的 平均值，对应了该通道的偏置误差;等效正弦波的幅度，对应了该通道的增益误差;求出等 效正弦波的过零点位置，相互之间的差值对应了各通道之间的采样延时，即相位误差。由此 根据等效采样波形，实现了 TIADC的偏置失配、增益失配和相位失配的同时校准。
[0064]下面结合一个实例进行说明。
[0065] 采用一个4通道的TIADC，每个通道的采样率为1.25GHz，采样间隔为0.8ns，4个ADC 通道交替采样，每两个通道的采样延时为0.2ns。
[0066] 校准信号源采用标准的正弦波，频率为414.938MHz，周期为2.41ns，比三个采样间 隔多出0.01ns，这样最终合成的等效采样正弦波的时间分辨率为0.01ns，一个周期对应有 241个等效采样点。
[0067]设信号源的周期为Tinns，等效采样波形的合成步骤如下：
[0068] 1.道ADC的采样数据，采样数据的个数为N。
[0069] 2.判断每个采样数据对应等效波形中的位置，对于第i个采样数据，先求出其采样 时间与信号源周期的倍数关系：
[0070] iNum= i*0 · 8/Tin
[0071] 再计算出多出的采样时间，根据等效采样的分辨率，得到其在等效波形中的对应 位置。
[0072] iPos = (i*0 · 8_ iNum*Tin)/0 · 01
[0073] 3.将采样数据放入等效采样波形的数据缓冲区中。
[0074] 4.处理完全部的采样数据，即得到了每通道的等效采样波形。特别地，可以取采样 数据的个数为等效采样波形一个周期的数据个数的Μ倍，这样等效波形的每个数据点具有Μ 个等效点，取这Μ个等效点数据的平均值做为每个数据点的数值，达到去噪声的目的，从而 提高了等效采样波形的精度，得到更精确的误差参数。
[0075] 5.计算每通道对应等效采样波形的平均值、幅度值和过零点对应的时间。
[0076] 6.以第一个通道为基准，得到其余各通道的偏置、增益和相位误差参数。
[0077] 7.根据误差结果调整其余各通道ADC的偏置、增益和相位寄存器设置值。不同的 TIADC芯片，相应的寄存器的设置方法会有所区别。以EV8AQ165为例，偏置寄存器是在当前 值基础上加上相应的误差参数，相位寄存器是在当前值基础上减去相应的误差参数，增益 寄存器是在当前值基础上除以误差参数。
[0078] 8.返回步骤1重新读取采样数据，并进行后续的计算处理，当各通道ADC等效波形 的计算结果与基准值相等时，校准完成，从而实现了 TIADC的偏置失配、增益失配和相位失 配的同时校准。
[0079]当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领 域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的 保护范围。
【主权项】
1. 一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法，其特征在于，具体包括以 下步骤： 步骤一，读取模数转换器各通道的采样数据； 步骤二，将采样数据转化为等效波形数据，首先判断每个采样数据对应等效波形数据 中的位置，对于第i个采样数据，先求出其采样时间与信号源周期的倍数关系，再计算出多 出的采样时间，根据等效采样的分辨率，得到其在等效波形数据中的对应位置，将采样数据 放入等效波形数据缓冲区中，处理完全部的采样数据，即得到了每个通道的等效波形数据； 步骤三，计算各通道对应等效波形数据的平均值、幅度值和过零点时间； 步骤四，以第一个通道的数据为基准值，得到其余各通道的偏移误差、增益误差和相位 误差参数； 步骤五，若其余各通道数据等于基准值，校准完成，若其余各通道数据不等于基准值， 根据误差结果，调整模数转换器其余各通道的偏置寄存器、增益寄存器和相位寄存器的设 置值，调整偏差，返回步骤一重新读取采样数据。2. 如权利要求1所示的一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法，其特 征在于，所述步骤二中，取采样数据的个数为等效波形数据一个周期的数据个数的M倍，使 等效波形的每个数据点产生M个等效点，等效波形的每个数据点的数值取这M个等效点数据 的平均值。3. 如权利要求1所示的一种基于等效采样的时域交替模数转换器失配校准方法，其特 征在于，所述偏置寄存器的设置方法采用在原值的基础上加上相应的误差参数，增益寄存 器的设置方法采用在原值的基础上除以误差参数，相位寄存器的设置方法采用在原值基础 上减去误差参数。
【文档编号】H03M1/10GK105933005SQ201610242275
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】向前, 刘洪庆, 杨江涛
【申请人】中国电子科技集团公司第四十研究所, 中国电子科技集团公司第四十一研究所