#2 ADC Static 특성 측정 (Pmod AD1 / AD7476 측정)

1장을 통해 ADC Static 특성에 DNL과 INL이 있었으며
실제 Chip에서 이러한 Static 특성들을 얻어내는 방법에는 여러가지가 있습니다.

그 중 가장 간단한 방법은 On Ramp 신호를 인가하는 것입니다.
실제 상용화된 칩을 갖고 측정하기 이전에 IEEE Standard에서 알려주는 측정법을 봐봅시다.

이 경우는 Ramp 신호, chirp 신호와 같은 임의 신호가 나오는 경우의 테스트 방법입니다.

 

이제 한번 테스트 환경을 구축해 봅시다.
아날로그 디스커버리 스튜디오 보드를 사용하고,
Digilent사에서 제공하는 Waveform을 이용하여 신호를 생성하고 측정해보도록 하겠습니다.
측정할 Chip은 12Bit SAR ADC인 AD7476을 이용해보겠습니다.

가장 먼저 해야할 일은 측정할 칩의 Data Sheet를 읽는 일입니다.
Pmod AD1에 들어가는 AD 7476의 경우 Sampling Clock이 20MHz 까지 가능하다고 되어있습니다.

교육용 보드로 빠른 신호를 측정하기에는 무리가 있기에 System Clock을 100KHz로 잡고 생성해보도록 하겠습니다.
또한 CS클락도 필요로 하기에 같이 Waveform Patterns를 이용하여 생성해주도록 하겠습니다.

CS 클락은 Sampling Clock으로 System Clock이 20번 돌 때마다 돌아오도록 설정해주었습니다.
곧 200us 마다 Output Bit가 한 번 출력됩니다.

정밀한 DNL 계산을 위해서 하나의 Bit를 20번에서 50번정도 뽑는 경우가 좋지만
교육용보드다보니 이번에는 9번씩 뽑아보도록 하겠습니다.
12Bit ADC이므로 4096개의 Bit가 9번씩 출력되므로 총 36864개의 Sample이 나와야 합니다.
이때 걸리는 시간은 36864 * 200us로 총 7.3728초가 걸립니다.

 

이제 다음으로는 입력 신호를 만들어 보겠습니다.
앞에서 7.3728초가 소요된다는 것을 알았으니 On Ramp 신호도 똑같이 만들어줘야 합니다.

7.3728초를 입력하니 주파수가 자동으로 설정이 되며,
VDD를 5V로 인가하였기에 Offset을 2.5V, Amplitude를 2.55V로 잡아 -0.1V부터 5.1V까지 이어지는 신호를 만들었습니다.

 

하지만 Wave Generator가 만들어주는 신호는 부정확하며 자세히 들여다보면 다음 그림과 같이 계단 형태입니다.

이를 깍아주기 위해 RC Low Pass 필터를 강하게 가져가보겠습니다.
제 경우에는 3k 저항과 10u 캐패시터를 사용하였습니다.

Bode Plot을 그리면 다음과 같이 됩니다.

 

이제 신호의 계단 형태가 많이 뭉개졌을겁니다. 전체 그림은 다음과 같습니다.

 

이제 Waveform에 있는 Logic을 이용하여 Data를 구하고 이를 엑셀로 옮겨와 DNL과 INL을 구해보겠습니다.

 

하단 그림 중 상단 두 개의 그래프는 DNL이고 마지막 그래프는 INL입니다.

 

그래프 분석 결과, 초반 부분 Offset이 있다는 점을 알 수 있으며,
RC 필터에 의해 INL 그래프가 Rayleigh 분포 형태를 띔을 확인할 수 있었습니다.

 

필터를 사용하지 않은 경우의 DNL을 다음과 같습니다.

 

실제로 측정하기 위해서는 깔끔한 신호를 만드는 Generator와 정확한 Osilloscope가 필요합니다.
하지만 교육용 환경에서도 캐패시터를 강하게 가져갈 수록 계단 형태가 무너져 간단하게 DNL을 구할 수 있었습니다.
또한 Bit 당 Sample을 9개씩 가져갔는데, 20개 이상 가져갈 수록 더 정밀한 DNL 측정이 가능해집니다.