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作者：张建强 北京大学深圳研究生院 冯建华 北京大学微电子学系 冯建科 北京自动测试技术研究所
摘 要: A /D转换器(ADC)是混合信号系统中的重要模块,是电子器件中的关键器件。随着器件时钟频率的不断提高,如何高效、准确地测试ADC的动态参数和静态参数是当今ADC测试研究的重点。本文阐述了ADC的静态和动态参数测试,并在自动测试系统的ADC测试过程中,深入分析了ADC测试环境的配置,从而实现了一种低成本、高可靠性的ADC计算机辅助测试方法,并在BC3192V50测试系统上得到了验证。
关键字: 模拟数字转换器; 参数; 计算机辅助测试
中图分类号: TP273 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 510. 1035
Abstract: Analog2to2digital converter (ADC) is the fundamentalmodule in mixed signal system. As the clock2rate of the device is increasing continuously, accurate and effective measurement of ADC dynamic and static parameters be2 comesmore and more important. The ADC static and dynamic parameter testings are introduced in this article. The ADC testing environment configuration is discussed in detail. A computer aided testing technique forADC is p resen2 ted, which is cost2effective and highly reliable. The p roposed method was verified in BC3192V50 test system.
Key words: analog2to2digital converter; parameter; computer aided testing
1 引 言
随着数字技术的不断发展和计算机在信号处理、控制等领域中的广泛应用,过去由模拟电路实现的工作,今天越来越多地由数字电路或计算机来处理。作为模拟与数字之间的桥梁,模拟数字转换器(ADC)的重要性越来越突出,由此也推动了ADC测试技术的发展[ 123 ]。本文首先介绍了ADC的测试,包括静态参数和动态参数测试,然后结合自动测试系统测试实例,详细介绍了 ADC芯片参数的测试过程[ 428 ]。
2 测试原理
2. 1 静态参数的测试原理
ADC的静态参数是指在低速或者直流流入ADC芯片测得的各种性能参数。静态参数测试方法有逐点测试法等,其主要测试过程如图1所示。
(1)零点误差的测量
零点误差又称输入失调,是实际模数转换曲线中数字0的代码中点与理想模数转换曲线中数字0的代码中点的最大误差,记为EZ。其测试方法如下:输入电压逐渐增大,当图1中的数字显示装置从00..00变为00..01,记下此时输入电压Vin1 , 然后逐渐减小输入电压, 使数字显示装置由00..01变为00..00,记下输入电压Vin2 :
式中: N 为A /D的位数; VFSR 为A /D输入电压的满量程值,LSB为ADC的最低有效位。
(2) 增益误差EG 测量
增益误差是指转换特性曲线的实际斜率与理想斜率之间的偏差。测试方法如下:把零点误差调整为0,输入电压从满量程开始变化,使数字输出由11..11 变11..10,记为Vin1。反方向逐渐变化Vin , 使输出端由11..10变为11..11,记下输入电压Vin2 。则:
(3) 线性误差的测量
线性误差指实际转换曲线与理想特性曲线间的最大偏差。实际测量是测试第j码的代码中心值,将其与理想第j码的中心值比较, 测试方法如下: ①调节输入电压,使数字输出端由第j码变为第j - 1码,记为Vin1 ; ②调节输入电压,使数字输出端由第j - 1码变为第j码,记为Vin2 ; ③调节输入电压,使数字输出端由第j码变为第j +1码,记为Vin3 ; ④调节输入电压, 使数字输出端由第j + 1码变为第j码,记为Vin4 ; ⑤求出第j码的偏差ΔVj 为:
式中: Vj为理想状态时ADC第j码的标称量化值; ⑥重复以上步骤,测得所有数码的偏差,取其绝对值Δ︱Vj ︱的最大值即为线性误差。
(4)微分线性误差的测量
微分线性误差是实际转换特性曲线的码宽与理想码宽之间的最大偏差。实际上,对线性误差的测量和微分线性误差的测量是同时进行的,找出被测点N 对应的模拟电压实测值,再找出对应于N + 1的模拟电压实测值,两者之差即为实际转换曲线在该点的码宽。从第j个数字值变为第j + 1码的数字值,实际对应的模拟Vin1 输入值之差,这个差值与理想的步长1 LSB的差,然后取其最大值,就是微分线性误差。即测得第j码的实际码宽Δj:
将Δj与1 LSB相比,取其偏差的绝对值最大就是所要测的微分线性误差。
2. 2 动态参数的测试原理
ADC的动态性能包括很多,如信噪比( SNR) 、信号与噪声失真之比( SINAD) 、总谐波失真( THD) 、无杂散动态范围( SFDR) 、双音互调失真( TTIMD)等。动态参数的测试方法有动态信号叠加测试法、谱分析FFT法和直方图法等。
(1)动态信号叠加测试法[ 526 ]
它的基本思想是在被测A /D 转换器模拟输入的参考电压上叠加一个小的交流信号,使A /D转换器输出的数字量短时间内在指定码周围以一定频率来回变化,从而测试出相应的跃变点和代码中心值,并可确定出零点误差、增益误差、相对精度和微分线性误差。这种方法简单易行,但是受到分辨率和速度的限制。
(2)谱分析FFT法
将满量程正弦信号送到被检的ADC中,转换后的结果存放在存储器中,然后对输出数据实施FFT运算,从而计算出SNR、THD等参数。输入由2个不同频率的正弦波组成,实施FFT运算后可以计算出IMD。在测试高精度ADC时,要求FFT的长度足够, 测试频率的选择是FFT法应用的一个关键问题。另外, FFT法要求采样频率不能是信号频率的整数倍。FFT法是ADC动态测试中很常用的方法,其优点是直观、简便,几乎所有ADC的失真都可在其输出频谱上表现出来。但是这种方法不能避免频谱泄露和ADC以外的误差源对测试带来的影响。
(3)码密度直方图法
这种方法是将一个正弦波送到被测A /D转换器中,由计算机记录下A /D转换器采样点的数量,然后计算机通过软件进行运算和处理,绘出直方图,从而定量地表示出微分线性误差、失码和增益误差等参数。
3 测试系统组成
下面将介绍如何在BC3192V50 测试系统上实施ADC的测试。该系统是由北京自动测试技术研究所开发研制的VXI总线型数模混合集成电路测试系统,系统最大测试速率为50 MHz,提供16 bit分辨率、100 KHz转换/采样率,可由数字系统同步触发的波形产生器、波形分析器及高速DSP处理器,具有较强的模拟信号测试及混合信号测试。
3. 1 测试系统硬件结构
(1)第1层:称为“母机”,提供测试各类IC所需要的最基本、最通用的硬件资源。它包括: ①电源; ②精密测量单元( PMU)及可程控继电器矩阵; ③精密电压表;④数字电路部分。
(2)第2层:适配器层,它是在母机大平台的基础上为某类器件的测试提供的匹配层,为某类IC的测试提供的专用测试电路。
(3)第3层:个性卡层,是为测试某类之中的具体的某个IC而设计的小板。其中适配器是针对具体芯片而开发的测试电路,是开发各种芯片测试的关键。
3. 2 测试系统的软件
包括各仪器模块的驱动程序、软面板、调试程序、用户测试程序开发环境和测试程序库等。
4 测试系统环境配置[ 4, 728]
4. 1 单调漏码扫描测试
2. 1节已经讲了静态参数的测试原理,很容易就能在本测试系统实现。下面以快速单调漏码扫描测试为例,介绍测试适配器的配置。快速漏码扫描电路如图2 所示。在图的左侧,积分电路用以产生单调直线上升或下降的电压,电压的上升或下降幅度大于被测DUT的模拟输入电压范围;图右侧是由DUT输出的数字量和计算器构成的数字比较电路。在扫描之前,计算机通过数据总线将计数器预置成DUT的模拟输入电压的最低值时,所对应的数字量,此处设为数字0。此时开关S1断开, S2闭合,使DUT的模拟输入值从0开始。积分电路的输入电压是由DAC产生的,它由程序设定以便控制积分电路的电压上升速率,使之和被测器件的转换时间相匹配。其电压上升速率一般为:积分电路的输出电压增加时,被测器件ADC的输出从数值D →D + 1 所需要的时间, 约等于10 倍的被测器件ADC的转换时间。当扫描开始后,开关S1 闭合, S2 断开,使积分电路呈线性扫描状态。被测器件被周期地触发,使之对输入的信号进行A /D转换。其输出与计数器相比较,若相等,则由数字比较电路产生一个脉冲,使计数器自动“加1”。而在扫描过程中,计算机通过数据总线不断地读取计数器的数值,并做出判断:若在规定的时间内,计数器应“加1”,而未“加1”,则判定DUT在此处有漏码。其漏码的位置只要读出计数器的当前值就可以了,若在规定时间内,计数器被正常地“加1”,且计数器的计数值达到被测器件DUT输出的最大值,则DUT无漏码。
4. 2 测试动态参数的码密度直方图法和谱分析FFT法测试环境配置
基于测试主机提供了强大的DSP数字信号处理能力,这个机台还可以使用码密度直方图法和谱分析FFT法测试动态参数。其测试原理如图3 所示,主机高精度信号源产生一个正弦波或三角波,输入被测ADC,在FFT法测试中,ADC输出数码被接收器接收后,地址产生器顺序产生地址,把锁存器锁存的数据写入存储器,然后传送到主机,用分析软件分析,并给出测试结果。在直方图
测试时,接收器接收的数据作为地址从存储器中取出数据,加法器加1后写回同一存储器中,再完成数据与主机I/O总线的接口,控制逻辑完成整个操作的控制功能,在主机测试软件完成数据的分析,给出测试结果。
5 实测结果
应用BC3192V50测试系统对ADC进行了实际测试,图4为对一12位的逐次逼近型ADC直方图的测试结果,其中图4 (a)为积分非线性的结果,图4 (b)为微分非线性的结果。积分非线性和微分非线性的测试结果都控制在0. 5 LSB之下。
6 结 论
本文结合ADC的静态和动态测试原理,给出了基于测试系统的ADC静态参数和动态参数测试的一般过程,并对此过程测试环境进行了较为详细的分析。从而用国产的自动测试系统实现了ADC的低成本、高可靠性的计算机辅助测试。
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