基于NI VirtualBench和LabVIEW的ADC自動(dòng)化測試

作者 張曜 孟天奕 陳尚存 合肥工業(yè)大學(xué)集成電路設計與集成系統專(zhuān)業(yè)(安徽合肥230601)

　　摘要：伴隨著(zhù)通信系統對高頻率、大帶寬以及多通信模式的需求，模數轉換器(Analog-to-DigitalConvertor,ADC)的設計正趨向于高速高精度發(fā)展，與此同時(shí)也給芯片測試帶來(lái)了更大的挑戰。本文基于NIVirtual Bench硬件平臺，提出了一套自動(dòng)化測試方案，該測試方案采用碼密度直方圖法和FFT頻譜分析法實(shí)現ADC芯片的靜態(tài)參數和動(dòng)態(tài)參數的自動(dòng)化測試。

　　關(guān)鍵詞：ADC測試;Virtual Bench;LabVIEW;碼密度直方圖法;FFT頻譜分析法

　　*第二屆全國大學(xué)生集成電路創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)大賽NI杯全國特等獎張曜：合肥工業(yè)大學(xué)集成電路設計與集成系統專(zhuān)業(yè);孟天奕：合肥工業(yè)大學(xué)集成電路設計與集成系統專(zhuān)業(yè);通訊作者：陳尚存，合肥工業(yè)大學(xué)集成電路設計與集成系統專(zhuān)業(yè)。

　　0引言

　　模數轉換器是通信系統的重要組成部分，對通信系統的發(fā)展具有非常重要的意義。近年來(lái)，通信系統對高速高精度ADC的要求越來(lái)越高。當有效位數要求超過(guò)12位時(shí)即進(jìn)入了高精度ADC的范疇，傳統的測試方法已經(jīng)很難適應要求。

　　National Instruments(NI)公司為芯片測試提供了完善的硬件和軟件平臺，基于NI公司的產(chǎn)品可以極大地優(yōu)化測試步驟，便捷地得到可靠的測試結果。本文中，我們提出了一種運用Virtual Bench進(jìn)行ADC參數測試的自動(dòng)化方法，不僅對ADC的靜態(tài)參數和動(dòng)態(tài)參數進(jìn)行了詳細地分析，而且實(shí)現了碼密度直方圖法和FFT頻譜分析法在LabVIEW編程語(yǔ)言中的具體運用。相比于傳統的手動(dòng)測試，自動(dòng)化測試實(shí)現了從激勵產(chǎn)生輸入到響應采集輸出，以及計算出相應參數這一整個(gè)流程的全自動(dòng)化，極大地提高了測試速度和測試準確度，為優(yōu)化ADC的測試提供了一種新的可能性。NIVB-8012是一款Virtual Bench多功能一體式儀器，它將具有協(xié)議分析功能的雙通道100MHz混合信號示波器、任意波形發(fā)生器、數字萬(wàn)用表、可編程直流電源和數字I/O結合到單個(gè)設備中,Virtual Bench還與Python、LabVIEW等緊密結合，支持編程控制和自動(dòng)化測試序列，從而可以輕松實(shí)現自動(dòng)化測試。

　　1ADC主要參數介紹

　　體現ADC性能的參數主要分為靜態(tài)參數和動(dòng)態(tài)參數。靜態(tài)參數體現了ADC電路在轉換時(shí)間內輸入信號保持不變的情況下的工作性能。動(dòng)態(tài)參數體現了ADC電路在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的性能，因此其測試要求輸入信號是時(shí)間的函數。所以與此對應的分別是ADC時(shí)域下的靜態(tài)參數和頻域下的動(dòng)態(tài)參數。下面將對這兩種參數進(jìn)行說(shuō)明。

　　1.1靜態(tài)參數

　　靜態(tài)參數描述的是器件的內在特性，和器件內部電路的誤差相關(guān)。靜態(tài)參數反映ADC的靜態(tài)誤差，即轉換器量化直流信號時(shí)影響精度的誤差。主要的靜態(tài)參數有：微分非線(xiàn)性和積分非線(xiàn)性。

　　(1)微分非線(xiàn)性(DifferentialNon-Linearity，DNL)：ADC實(shí)際相鄰數字碼對應的模擬量差值與理想相鄰數字碼對應的模擬量差值(即1LSB)之差。

　　(2)積分非線(xiàn)性(IntegralNon-Linearity，INL)：ADC的數字輸出碼對應的模擬值和實(shí)際的模擬輸入值之間的差值^[1]。通常我們比較關(guān)注的是微分非線(xiàn)性和積分非線(xiàn)性中的最大值，通過(guò)將其與LSB比較來(lái)判斷ADC是否達到所需精度。

　　1.2動(dòng)態(tài)參數

　　ADC動(dòng)態(tài)參數反映了ADC在高速工作條件下的性能，可以通過(guò)對輸出頻譜圖進(jìn)行計算分析得出。常用的動(dòng)態(tài)性能參數有如下幾種：

　　(1)信號噪聲比(SignaltoNoiseRatio,SNR)：簡(jiǎn)稱(chēng)信噪比，指ADC輸出信號功率與量化噪聲和電路噪聲的總功率的比值。表達式如下：

　　(2)總諧波失真(TotalHarmonicDistortion,THD)：輸入信號與系統所有諧波的總功率比。表達式如下：

　　(3)信號與噪聲失真比(SignaltoNoiseAndDistortion，SINAD)：輸入信號和所有輸出信號失真功率(包括諧波成分，不包括直流)比。表達式如下：

　　(4)無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(Spurious-freeDynamicRange，SFDR)：對系統失真進(jìn)行量化，它是基本頻率與雜波信號最大值的數量差。表達式如下：SFDR=6.02×N+1.76+10×log(OSR)其中N為有效位數，OSR為過(guò)采樣率，計算公式為：OSR=fs/fB。

　　(5)有效位數(EffectiveNumberofBits，ENOB)：在A(yíng)DC器件信噪比基礎上計算出來(lái)的，它將傳輸信號質(zhì)量轉換為等效比特分辨率。表達式如下：ENOB=[SINAD(dB)-1.76dB]/6.02dB

　　2自動(dòng)化測試方案

　　本文提出的ADC芯片自動(dòng)化測試方案基于Virtual Bench系列中的VB-8012。對于Virtual Bench系列儀器，我們有兩種辦法實(shí)現其自動(dòng)化測試：

　　(1)基于LabVIEW的自動(dòng)化：構建自定義應用程序，以編程方式控制Virtual Bench，防止重復測量中出現人為失誤，并減少測試時(shí)間。

　　(2)基于Python的自動(dòng)化：使用Python為Virtual Bench的各種測量編寫(xiě)腳本，以驗證和測試電子設備。

　　NI LabVIEW是儀器自動(dòng)化行業(yè)最流行的系統設計軟件。使用圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，構建自定義的應用程序，通過(guò)編程控制NI Virtual Bench多功能一體化儀器，能夠減少重復測量中的人為錯誤并節省測試所需時(shí)間。本文主要是運用LabVIEW來(lái)實(shí)現測試自動(dòng)化。

　　實(shí)現測試的自動(dòng)化，主要依靠LabVIEW提供的設備驅動(dòng)程序和儀器應用程序接口(API)：設備驅動(dòng)程序與計算機操作系統相配合，可在計算機和Virtual Bench之間建立起通信機制;儀器API是一組易于理解的高層函數，在LabVIEW中用于控制儀器并與儀器進(jìn)行通信^[2]。

　　使用LabVIEW進(jìn)行編程，通過(guò)初始化、配置儀器、執行操作、關(guān)閉設備和錯誤處理等步驟，獲取VB-8012測得的數據，并進(jìn)一步分析和處理測試數據，從而計算得出ADC的性能參數。以上測試過(guò)程，僅需編寫(xiě)好的LabVIEW程序進(jìn)行控制，實(shí)現了ADC的自動(dòng)化測試。整個(gè)自動(dòng)化測試系統的原理框圖如圖1。

　　2.1靜態(tài)參數測試

　　碼密度直方圖測試主要是基于數理統計理論，待測ADC對模擬輸入信號進(jìn)行隨機采樣，不同數字碼輸出的出現次數為碼密度。以ADC的輸出數字碼和相應的出現次數為坐標作圖，所得的圖形稱(chēng)為直方圖。在直方圖上，每個(gè)數字碼稱(chēng)為碼箱，每個(gè)數字碼出現的次數為碼箱寬度，即碼密度。根據相應的碼箱寬度就可以估計出ADC的靜態(tài)參數^[3]。

　　在選定測試信號時(shí)為了避免邊界值的影響，選擇輸入信號為略大于A(yíng)DC量程的正弦信號。在輸入信號頻率選擇上必須滿(mǎn)足相干采樣原理，使得輸入信號的頻率與采樣頻率成互質(zhì)關(guān)系從而符合統計的隨機性。在滿(mǎn)足上述條件后，可以近似認為ADC的采樣是隨機的，因此采樣輸出為隨機樣本，就可以利用統計學(xué)原理來(lái)計算相關(guān)的靜態(tài)參數^[4]。

　　下面我們給出相應的計算公式：

　　對于本文所需測試的12位ADC來(lái)說(shuō)，要使DNL和INL的誤差精度達到0.1LSB的最低置信水平為95%，所以需要采樣的樣本數^[5]為：

　　得到總樣本數后，本設計利用相應數字碼的階躍過(guò)渡電壓差來(lái)得到實(shí)際電壓，并利用計算公式得到失調電壓：

　　A為正弦波幅值，得到失調電壓后，可以得到每個(gè)數字碼的階躍過(guò)渡電壓值：

　　得到數字碼后進(jìn)而可計算出相應的DNL的值：

　　其中VF為滿(mǎn)量程電壓。最后可以通過(guò)積分計算得到相應的INL的值：

　　本文中ADC轉換的數字碼在LabVIEW程序中以數組的方式存儲，基于算法的要求本設計將數組中的數字碼以十進(jìn)制的形式表示出來(lái)，統計每一個(gè)碼出現的次數即為相應碼的碼箱寬度，之后可根據公式計算出所有的靜態(tài)參數。

　　統計碼箱寬度是碼密度直方圖法中尤為重要的一環(huán)，具體程序如圖2。先將十進(jìn)制數組表示的所有輸出碼進(jìn)行排序，得到按照輸出碼從小到大排列的有序數組。然后將該數組按照碼的大小進(jìn)行分離，把具有相同碼值的元素分別組成新的數組，每一個(gè)新數組的元素個(gè)數即為不同碼值的數字碼所對應的碼箱寬度。

　　對我們所搭建的LabVIEW程序框圖進(jìn)行驗證，得到運行結果如圖3所示。

　　根據波形圖可以發(fā)現DNL近似均勻分布于0的兩邊，而INL則表現出MSB處最大的特性，由此可以判斷程序的輸出結果正確，并且從具體數值來(lái)看ADC達到了相應的精度。

　　2.2動(dòng)態(tài)參數測試

　　為了得到ADC的動(dòng)態(tài)參數，在輸入端施加正弦信號后，我們使用VB-8012內的邏輯分析儀對ADC輸出端的數據進(jìn)行采樣，之后進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)在頻域上得到頻譜圖。

　　VB-8012獲得采樣數據并發(fā)送到上位機，在LabVIEW程序中調用VB-8012的混合信號示波器(MSO)數字通道VI，可以得到數據波形格式的采樣數據，對數據進(jìn)行初步處理后調用頻譜測量VI進(jìn)行快速傅里葉變換，進(jìn)而可以獲得信號的功率譜。

　　根據頻譜圖，按照定義計算出基波信號分量P₁，諧波信號分量P_D，噪聲功率P_N，最大雜波分量功率P_S，根據下面的公式^[6]計算出相應動(dòng)態(tài)參數：

　　相應的LabVIEW程序框圖如圖4所示。

　　為了驗證該程序框圖及算法的正確性，我們使用加入了均勻白噪聲的正弦波作為激勵信號進(jìn)行程序檢驗，計算得到的有效位數(ENOB)和其它參數均符合預期，輸出的功率譜波形也正確體現了信號功率和噪聲功率。對于功率譜分析需要注意的是，必須正好采集整數個(gè)周期的輸入信號，以實(shí)現相干采樣防止頻譜泄露，這反映到頻域上就表現為譜線(xiàn)能量非常集中。如圖5所示。

　　3結束語(yǔ)

　　長(cháng)期以來(lái)高速高性能的ADC主要依靠國外進(jìn)口。隨著(zhù)國內集成電路技術(shù)水平的不斷提升，很多ADC已經(jīng)完成了國產(chǎn)化，如何更加有效地實(shí)現ADC的測試成為我們需要重視的問(wèn)題。本文提供了一種利用NI Virtual Bench來(lái)實(shí)現ADC自動(dòng)化測試的方案，并且給出了LabVIEW程序的部分框圖，可供搭建ADC自動(dòng)化測試系統時(shí)進(jìn)行參考。

　　參考文獻:

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第1期第73頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處