ADC芯片參數測試技術(shù)解析

隨著(zhù)數字技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機在信號處理、控制等領(lǐng)域中的廣泛應用，過(guò)去由模擬電路實(shí)現的工作，今天越來(lái)越多地由數字電路或計算機來(lái)處理。作為模擬與數字之間的橋梁，模擬數字轉換器(ADC)的重要性越來(lái)越突出，由此也推動(dòng)了ADC測試技術(shù)的發(fā)展。本文首先介紹了ADC的測試，包括靜態(tài)參數和動(dòng)態(tài)參數測試，然后結合自動(dòng)測試系統測試實(shí)例，詳細介紹了 ADC芯片參數的測試過(guò)程。

測試原理

1. 1　靜態(tài)參數的測試原理

ADC的靜態(tài)參數是指在低速或者直流流入ADC芯片測得的各種性能參數。靜態(tài)參數測試方法有逐點(diǎn)測試法等，其主要測試過(guò)程如圖1所示。

(1)零點(diǎn)誤差的測量

零點(diǎn)誤差又稱(chēng)輸入失調，是實(shí)際模數轉換曲線(xiàn)中數字0的代碼中點(diǎn)與理想模數轉換曲線(xiàn)中數字0的代碼中點(diǎn)的最大誤差，記為EZ。其測試方法如下：輸入電壓逐漸增大，當圖1中的數字顯示裝置從00..00變?yōu)?0..01，記下此時(shí)輸入電壓Vin1 ， 然后逐漸減小輸入電壓， 使數字顯示裝置由00..01變?yōu)?0..00，記下輸入電壓Vin2 ：

式中： N 為A /D的位數; VFSR 為A /D輸入電壓的滿(mǎn)量程值，LSB為ADC的最低有效位。

(2) 增益誤差EG 測量

增益誤差是指轉換特性曲線(xiàn)的實(shí)際斜率與理想斜率之間的偏差。測試方法如下：把零點(diǎn)誤差調整為0，輸入電壓從滿(mǎn)量程開(kāi)始變化，使數字輸出由11..11 變11..10，記為Vin1。反方向逐漸變化Vin ， 使輸出端由11..10變?yōu)?1..11，記下輸入電壓Vin2 。則：

(3) 線(xiàn)性誤差的測量

線(xiàn)性誤差指實(shí)際轉換曲線(xiàn)與理想特性曲線(xiàn)間的最大偏差。實(shí)際測量是測試第j碼的代碼中心值，將其與理想第j碼的中心值比較， 測試方法如下： ①調節輸入電壓，使數字輸出端由第j碼變?yōu)榈趈 - 1碼，記為Vin1 ; ②調節輸入電壓，使數字輸出端由第j - 1碼變?yōu)榈趈碼，記為Vin2 ; ③調節輸入電壓，使數字輸出端由第j碼變?yōu)榈趈 +1碼，記為Vin3 ; ④調節輸入電壓， 使數字輸出端由第j + 1碼變?yōu)榈趈碼，記為Vin4 ; ⑤求出第j碼的偏差ΔVj 為：

式中： Vj為理想狀態(tài)時(shí)ADC第j碼的標稱(chēng)量化值; ⑥重復以上步驟，測得所有數碼的偏差，取其絕對值ΔVj 虻淖畬籩導次線(xiàn)性誤差。

(4)微分線(xiàn)性誤差的測量

微分線(xiàn)性誤差是實(shí)際轉換特性曲線(xiàn)的碼寬與理想碼寬之間的最大偏差。實(shí)際上，對線(xiàn)性誤差的測量和微分線(xiàn)性誤差的測量是同時(shí)進(jìn)行的，找出被測點(diǎn)N 對應的模擬電壓實(shí)測值，再找出對應于N + 1的模擬電壓實(shí)測值，兩者之差即為實(shí)際轉換曲線(xiàn)在該點(diǎn)的碼寬。從第j個(gè)數字值變?yōu)榈趈 + 1碼的數字值，實(shí)際對應的模擬Vin1 輸入值之差，這個(gè)差值與理想的步長(cháng)1 LSB的差，然后取其最大值，就是微分線(xiàn)性誤差。即測得第j碼的實(shí)際碼寬Δj：

將Δj與1 LSB相比，取其偏差的絕對值最大就是所要測的微分線(xiàn)性誤差。

1. 2　動(dòng)態(tài)參數的測試原理

ADC的動(dòng)態(tài)性能包括很多，如信噪比( SNR) 、信號與噪聲失真之比( SINAD) 、總諧波失真( THD) 、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍( SFDR) 、雙音互調失真( TMD)等。動(dòng)態(tài)參數的測試方法有動(dòng)態(tài)信號疊加測試法、譜分析FFT法和直方圖法等。

(1)動(dòng)態(tài)信號疊加測試法[ 526 ]

它的基本思想是在被測A /D 轉換器模擬輸入的參考電壓上疊加一個(gè)小的交流信號，使A /D轉換器輸出的數字量短時(shí)間內在指定碼周?chē)砸欢l率來(lái)回變化，從而測試出相應的躍變點(diǎn)和代碼中心值，并可確定出零點(diǎn)誤差、增益誤差、相對精度和微分線(xiàn)性誤差。這種方法簡(jiǎn)單易行，但是受到分辨率和速度的限制。

(2)譜分析FFT法

將滿(mǎn)量程正弦信號送到被檢的ADC中，轉換后的結果存放在存儲器中，然后對輸出數據實(shí)施FFT運算，從而計算出SNR、THD等參數。輸入由2個(gè)不同頻率的正弦波組成，實(shí)施FFT運算后可以計算出IMD。在測試高精度ADC時(shí)，要求FFT的長(cháng)度足夠， 測試頻率的選擇是FFT法應用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。另外， FFT法要求采樣頻率不能是信號頻率的整數倍。FFT法是ADC動(dòng)態(tài)測試中很常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)、簡(jiǎn)便，幾乎所有ADC的失真都可在其輸出頻譜上表現出來(lái)。但是這種方法不能避免頻譜泄露和ADC以外的誤差源對測試帶來(lái)的影響。

(3)碼密度直方圖法

這種方法是將一個(gè)正弦波送到被測A /D轉換器中，由計算機記錄下A /D轉換器采樣點(diǎn)的數量，然后計算機通過(guò)軟件進(jìn)行運算和處理，繪出直方圖，從而定量地表示出微分線(xiàn)性誤差、失碼和增益誤差等參數。

測試系統組成

下面將介紹如何在BC3192V50 測試系統上實(shí)施ADC的測試。該系統是由北京自動(dòng)測試技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)研制的VXI總線(xiàn)型數?；旌霞呻娐窚y試系統，系統最大測試速率為50 MHz，提供16 bit分辨率、100 KHz轉換/采樣率，可由數字系統同步觸發(fā)的波形產(chǎn)生器、波形分析器及高速DSP處理器，具有較強的模擬信號測試及混合信號測試。

2. 1　測試系統硬件結構

(1)第1層：稱(chēng)為“母機”，提供測試各類(lèi)IC所需要的最基本、最通用的硬件資源。它包括： ①電源; ②精密測量單元( PMU)及可程控繼電器矩陣; ③精密電壓表;④數字電路部分。

(2)第2層：適配器層，它是在母機大平臺的基礎上為某類(lèi)器件的測試提供的匹配層，為某類(lèi)IC的測試提供的專(zhuān)用測試電路。

(3)第3層：個(gè)性卡層，是為測試某類(lèi)之中的具體的某個(gè)IC而設計的小板。其中適配器是針對具體芯片而開(kāi)發(fā)的測試電路，是開(kāi)發(fā)各種芯片測試的關(guān)鍵。

2. 2　測試系統的軟件

包括各儀器模塊的驅動(dòng)程序、軟面板、調試程序、用戶(hù)測試程序開(kāi)發(fā)環(huán)境和測試程序庫等。

測試系統環(huán)境配置

3. 1　單調漏碼掃描測試

2. 1節已經(jīng)講了靜態(tài)參數的測試原理，很容易就能在本測試系統實(shí)現。下面以快速單調漏碼掃描測試為例，介紹測試適配器的配置?？焖俾┐a掃描電路如圖2 所示。在圖的左側，積分電路用以產(chǎn)生單調直線(xiàn)上升或下降的電壓，電壓的上升或下降幅度大于被測DUT的模擬輸入電壓范圍;圖右側是由DUT輸出的數字量和計算器構成的數字比較電路。在掃描之前，計算機通過(guò)數據總線(xiàn)將計數器預置成DUT的模擬輸入電壓的最低值時(shí)，所對應的數字量，此處設為數字0。此時(shí)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)， S2閉合，使DUT的模擬輸入值從0開(kāi)始。積分電路的輸入電壓是由DAC產(chǎn)生的，它由程序設定以便控制積分電路的電壓上升速率，使之和被測器件的轉換時(shí)間相匹配。其電壓上升速率一般為：積分電路的輸出電壓增加時(shí)，被測器件ADC的輸出從數值D →D + 1 所需要的時(shí)間， 約等于10 倍的被測器件ADC的轉換時(shí)間。當掃描開(kāi)始后，開(kāi)關(guān)S1 閉合， S2 斷開(kāi)，使積分電路呈線(xiàn)性?huà)呙锠顟B(tài)。被測器件被周期地觸發(fā)，使之對輸入的信號進(jìn)行A /D轉換。其輸出與計數器相比較，若相等，則由數字比較電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使計數器自動(dòng)“加1”。而在掃描過(guò)程中，計算機通過(guò)數據總線(xiàn)不斷地讀取計數器的數值，并做出判斷：若在規定的時(shí)間內，計數器應“加1”，而未“加1”，則判定DUT在此處有漏碼。其漏碼的位置只要讀出計數器的當前值就可以了，若在規定時(shí)間內，計數器被正常地“加1”，且計數器的計數值達到被測器件DUT輸出的最大值，則DUT無(wú)漏碼。

3. 2　測試動(dòng)態(tài)參數的碼密度直方圖法和譜分析FFT法測試環(huán)境配置

基于測試主機提供了強大的DSP數字信號處理能力，這個(gè)機臺還可以使用碼密度直方圖法和譜分析FFT法測試動(dòng)態(tài)參數。其測試原理如圖3 所示，主機高精度信號源產(chǎn)生一個(gè)正弦波或三角波，輸入被測ADC，在FFT法測試中，ADC輸出數碼被接收器接收后，地址產(chǎn)生器順序產(chǎn)生地址，把鎖存器鎖存的數據寫(xiě)入存儲器，然后傳送到主機，用分析軟件分析，并給出測試結果。在直方圖

測試時(shí)，接收器接收的數據作為地址從存儲器中取出數據，加法器加1后寫(xiě)回同一存儲器中，再完成數據與主機I/O總線(xiàn)的接口，控制邏輯完成整個(gè)操作的控制功能，在主機測試軟件完成數據的分析，給出測試結果。

實(shí)測結果

應用BC3192V50測試系統對ADC進(jìn)行了實(shí)際測試，圖4為對一12位的逐次逼近型ADC直方圖的測試結果，其中圖4 (a)為積分非線(xiàn)性的結果，圖4 (b)為微分非線(xiàn)性的結果。積分非線(xiàn)性和微分非線(xiàn)性的測試結果都控制在0. 5 LSB之下。

結　　論

本文結合ADC的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試原理，給出了基于測試系統的ADC靜態(tài)參數和動(dòng)態(tài)參數測試的一般過(guò)程，并對此過(guò)程測試環(huán)境進(jìn)行了較為詳細的分析。從而用國產(chǎn)的自動(dòng)測試系統實(shí)現了ADC的低成本、高可靠性的計算機輔助測試。