基于Labview軟件的ADC計算機輔助測試系統設計

摘要：在CMOS圖像傳感器中，A/D起著(zhù)“承上啟下”的作用，承接前端傳來(lái)的信號，轉換成數字后輸出，其性能指標直接影響著(zhù)整個(gè)系統的優(yōu)劣。隨著(zhù)ADC速度和精度的提高，如何高效、準確地測試其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參數是ADC測試研究的重點(diǎn)。文中闡述了ADC的參數及其測試的原理和方法，并基于Labview軟件和數據采集卡構建了ADC的軟硬件測試平臺，實(shí)現了低成本、高可靠性的高精度ADC計算機輔助測試系統。

隨著(zhù)CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展，CMOS圖像傳感器以其高集成度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于超微型數碼相機、PC機電腦眼、指紋識別、手機等圖像采集的領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器的工作流程可以簡(jiǎn)單表述為：外界光信號由像素陣列采集并轉換為模擬信號，再通過(guò)讀出電路傳輸給A/D轉換器，最后交于后續數字電路進(jìn)行處理。由此可見(jiàn)，A/D轉換器在整個(gè)CMOS圖像傳感器中起著(zhù)“承上啟下”的作用，其性能指標直接影響著(zhù)整個(gè)系統的優(yōu)劣，從而使得ADC的性能測試變得十分重要。

目前業(yè)界已經(jīng)存在一些通用的ADC測試方法，例如針對靜態(tài)指標測試的直方圖法，針對動(dòng)態(tài)指標測試的快速傅式變換法，以及專(zhuān)門(mén)針對ENOB的正弦波適應法等，但是還沒(méi)有單一的測試方法能夠有效測試出所有的ADC參數。

ADC測試需要解決成本和效率的問(wèn)題，故需要根據ADC典型應用的環(huán)境，選取一些關(guān)鍵指標和有效的測試方法，制定合理的測試方案。本文中ADC主要用于CMOS圖像傳感器的數字輸出，結合Labview軟件分析程序和測試儀器，搭建了一套ADC綜合性能測試系統。

1 ADC性能測試系統

1.1 ADC性能參數

表征ADC性能的參數通?？煞譃殪o態(tài)參數和動(dòng)態(tài)參數。其中，靜態(tài)參數描述的是ADC自身的內在特性，與所設計的ADC內部電路的誤差和噪聲有關(guān)，這些誤差包括ADC的增益誤差、失調誤差、積分非線(xiàn)性(INL)和微分非線(xiàn)性(DNL)等，主要關(guān)注的是具體的模擬輸入電平與相應數字輸出代碼之間的關(guān)系，表征靜止的模擬輸入信號轉換成數字輸出信號的精確度;而動(dòng)態(tài)參數描述的是ADC采樣和重現時(shí)序變化信號的能力，關(guān)注ADC在交流條件情況下的性能表現，主要包括信噪比(SNR)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、總諧波失真(THD)、信納比(SINAD)以及有效位數(EN OB)等，這些參數的測試都是通過(guò)對輸入合適的正弦模擬信號并獲取了芯片正確轉換得到的數字碼之后，進(jìn)行快速傅氏變換(FFT)計算得來(lái)的。表1為ADC典型參數的公式定義。

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1.2 測試原理和方法

目前常規的測試系統不能同時(shí)分析多種性能參數，例如：一般的動(dòng)態(tài)測試系統只能測試ADC動(dòng)態(tài)參數，如信噪比和信號噪聲失真比等參數，而傳遞特性的測試系統只能測試傳遞特性等，具有適應性比較差、使用不方便等缺點(diǎn)。針對這些缺點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了一套由Labview軟件分析程序和測試儀器構建的綜合性能測試系統。在該系統中，測試程序將兩種測試分析方法綜合到一起，采用了碼密度直方圖測試法測試靜態(tài)特性參數、FFT測試法測試動(dòng)態(tài)特性參數。在測試程序中，這些測試方法只是數學(xué)分析算法上的不同，硬件基本一致。因此可很方便的根據外加測試條件的不同而一鍵選擇不同的測試方法。

1.2.1 碼密度直方圖測試法

該方法通過(guò)統計學(xué)的原理，對輸入正弦波情況下的輸出數字碼進(jìn)行振幅域的分布統計。圖1就是通過(guò)這種方法生成的浴盆曲線(xiàn)。

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該浴盆曲線(xiàn)的橫坐標代表了0到1 024(210)個(gè)數字碼點(diǎn)，縱坐標代表了輸出為該數字碼的個(gè)數。在理想情況下，數字碼分布的概率密度函數為：

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其中FSR代表ADC的滿(mǎn)量程范圍，n代表數字碼的序號，N代表分辨率。這樣理想情況下和實(shí)際測量的輸出特定的數字碼個(gè)數之差就可以得出DNL，而將DNLk求和即能得到INL的誤差值。

1.2.2 FFT分析法

FFT法是對時(shí)域采集的一組數據進(jìn)行FFT運算，得到采樣信號的傅立葉頻譜，然后從頻譜中得到信號、噪聲及諧波分量的功率，經(jīng)加工計算可得到SNR、THD、SINAD、ENOB、SFDR這些動(dòng)態(tài)參數。在實(shí)際測試過(guò)程中，需要應用相關(guān)采樣原理，即必須滿(mǎn)足如下公式：

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式中，M為采樣周期數，必須為奇數，N為總采樣點(diǎn)數，對于FFT算法必須為2的冪。ft為輸入模擬正弦波頻率，fs為采樣頻率。同時(shí)為了獲得最佳測試效率和減少測試時(shí)間，M和Ⅳ要求不可約分，而且為了保證FFT變換一定的故障覆蓋率，N取值不能太小。

1.3 測試系統組成

文中所測10bit、8Msps ADC主要用于CMOS圖像傳感器的芯片級數字輸出，其結構為流水線(xiàn)型，輸入信號擺幅為Vp-p為2.4 V，共模電壓為2.5 V，這意味著(zhù)模擬輸入電壓范圍是1.3～3.7 V。這樣模擬輸入精度就是1LSB=(Vinmax-Vinmin)/2n=2.34 mV(n為數字輸出位數)，為了能測試這樣精度的芯片，我們需要輸入更高精度的模擬電壓。因此除了對測試方法的選取要求較高外，也對測試系統的構成和測試板的設計與制作提出了很高的要求。

圖2為ADC測試平臺結構。該系統的工作原理是：由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一幅度略大于A(yíng)DC滿(mǎn)幅度輸入范圍的正弦波，作為模擬信號輸入到ADC測試板，經(jīng)濾波后輸入到ADC輸入端，ADC將其轉換為相應的數字輸出至數字采集卡，采集卡將其組合成數字碼，然后用分析軟件進(jìn)行分析，給出測試結果。

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