 如今，有大量应用都依赖于数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）。它们在信号处理中至关重要，因为它们构建了数字系统和模拟系统之间的桥梁。通过使数字电路能够与模拟组件交互，ADC和DAC在音频处理、电信、数据采集系统等领域发挥着关键作用。此外，在现代传感技术中，磁传感器的应用日益广泛，例如霍尔效应传感器、隧道磁阻（TMR）传感器和巨磁阻（GMR）传感器等。这些磁传感器需要将探测到的磁信号转换为电信号，而这正是ADC和DAC发挥作用的关键环节。例如，在汽车电子、工业自动化和医疗设备等领域，磁传感器用于角度检测、电机控制、非接触式测量等任务，依赖于高精度ADC进行信号采集和处理，同时使用DAC实现高精度反馈控制。因此，ADC、DAC与磁传感器的结合，进一步拓展了智能感知系统的边界，为现代科技应用提供了更精准、更稳定的解决方案。 DAC与ADC的作用 模数转换器（ADC）是现代数据采集系统（DAQ或DAS系统）的核心组件之一。它的作用是将调节过的模拟信号转换为数字数据流，从而使系统能够对这些数据进行处理、显示、存储和分析。由于转换过程中对精度的要求极高，即便是微小的误差，也可能对后续的数据分析和处理产生影响。 另一方面，数模转换器（DAC）在数字音频存储、流媒体传输等应用中发挥着不可或缺的作用。它将数字信号转换为模拟信号，保证了音频的高保真再现，并广泛应用于各种模拟输出设备中，确保声音质量和其他信号的准确传输。 为了保证最佳性能，ADC和DAC都需要进行严格的测试，重点关注参数如最大采样率、位分辨率、总谐波失真（THD）、噪声、信噪比（SNR）、积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）、有效位数（ENOB）和抖动等，以确保其在实际应用中的高效和稳定表现。 ADC的关键测试方法 测试ADC和DAC设备涉及多种技术，针对每种转换器的独特功能，通常需要定制化的测试方法。根据不同的目标应用，测试的重点也有所不同。例如，视频处理、成像、电信、控制系统以及音频处理等领域的测试要求各异。以下表格总结了不同应用中最常见的测试方法：  ADC静态测试 积分非线性INL及微分非线性DNL ADC测试通常涉及测量关键性能指标，通常包括： · 偏移误差 · 增益误差 · 微分非线性 · 积分非线性 · 失码 在测试ADC的差分非线性（DNL）和积分非线性（INL）时，需向输入端施加信号，并分析输出码的分布情况。这与DAC测试不同，DAC测试是施加数字码后，通过精密电压表测量模拟输出，而ADC测试则需要确定“决策层”，即码边界对应的输入电压。 线性斜坡的直方图测试 该方法通过施加线性斜坡信号，统计每个输出码的出现次数（命中数）。理想情况下，各个码的出现频率应相等。若某个码出现次数高于其他码，说明该步长较宽，DNL为正；若出现次数较少，则步长较窄，DNL为负。INL则由DNL的累积和计算得出。 由于能够准确评估ADC的静态特性，线性斜坡直方图测试（又称码密度测试）已成为最常用的ADC静态参数测试方法。  正弦波输入直方图测试 直方图方法使用正弦波信号作为ADC的输入。与其他信号形式（如线性斜坡）相比，生成纯正弦波通常更简单。然而，正弦波的电压分布不均匀，更多的电压阶跃集中在较低和较高的电压范围内。 在此方法中，分析 ADC 的输出以评估转换器在不同电压下的性能。对于 DAC，高精度数字通道与低噪声正弦波发生器相结合，可评估这些电压范围内的性能，从而确保最小的失真和噪声。  ADC动态测试 ADC测试中的噪声源 准确的ADC测试必须考虑各种噪声源，因为噪声会显著降低数据转换器的性能。三个主要的噪声源包括： 1. 数字信号上的抖动：抖动会在采集瞬间引入误差，导致采集信号不准确。减小抖动可以改善信噪比（SNR）。 2. 波形发生器噪声：用于测试目的的信号质量直接影响测试结果。测试设备的SNR必须高于被测设备（DUT），以确保可靠的结果。 3. 电压基准和电源中的噪声：ADC的电压基准（Vref）或电源中的噪声会转化为输出噪声以及偏移和增益误差。为了更准确的测试，建议使用外部电压基准，并且必须通过参数（如电源抑制比（PSRR））精准控制电源噪声。  DAC测试 与ADC测试相比，DAC测试通常要求较低。该过程涉及向DAC施加一系列数字码，并使用高精度数字电压表（DVM）测量相应的模拟输出。这可以直接进行DNL（微分非线性）和INL（积分非线性）测量。虽然DAC测试不那么复杂，但仍然需要高精度数字化仪以确保准确结果。 在数字化仪精度不足的情况下，可以采用额外的测试策略来提高测量精度： 基座测试：这种方法涉及从DAC输出中减去一个已知的基座电压，以提高小信号测量的准确性。 补偿源差分放大器：此技术使用差分放大器来抵消噪声或不需要的信号分量，进一步提高DNL和INL测量的准确性。 这些方法允许进行更精确的测量，确保检测到并校正DAC性能中的最小不准确之处。 基座测试 当需要更高精度时，基座测试可以增强DAC测试的精度。数字处理仪器的斜坡发生器可以通过内部连接用作数字化仪的基座，而不是仅仅依赖数字化仪。首先使用高精度系统电压表对斜坡进行预表征，确保充分了解其特性。这种方法允许数字化仪在较小的范围内工作，显著提高其测量分辨率，并能够更精确地测试DAC输出。 补偿源差分放大器 对于基座配置也无法提供所需精度的情况，可以采用补偿源差分放大器技术。在这种方法中，一个高稳定性电压源作为“补偿”电压施加到被测DAC上。补偿源的输出点由高精度系统电压表（如HP3458A）进行预表征，以确保获得精确的参考值。 补偿源和DAC形成差分输入给高稳定性、低漂移的可编程增益放大器（PGA）。PGA放大DAC输出与补偿源之间的差值。这种方法隔离了预期输出和实际输出之间的小差异，从而能够高度准确地测量DAC的性能。通过逐点差异测量最小有效位（LSB）步长来计算DNL（微分非线性），然后对这些结果进行积分以确定INL（积分非线性）。 结语：提升测试精度，保障系统稳定性 测试ADC和DAC是确保其在各种应用中可靠性和精度的关键步骤。从静态特性到动态性能，每个参数都可能直接影响到最终系统的表现。通过精确的测试方法，测试工程师能够验证这些转换器的性能，确保它们能够在真实环境中准确地执行任务。 无论是对DNL和INL的分析，还是对最大采样率、位分辨率等关键参数的测量，测试过程都需要结合具体应用的需求进行定制。有效的测试方法不仅能提升设备的性能，还能在设计初期发现潜在问题，从而减少后期维护和调整的成本。 作为测试工程师，掌握并应用正确的测试技术对确保ADC和DAC的高效能至关重要。在日益复杂的电子设备中，随着数据传输和处理精度要求的提升，ADC/DAC的测试也将变得更加重要。通过全面的测试和优化，我们可以确保这些关键组件在现代电子系统中的稳定运行，为各类应用提供更精确、更可靠的信号转换解决方案。 |
