A/D轉(zhuǎn)換芯片的測試環(huán)境構(gòu)成及測試方法

所謂的混合信號(hào)測試,是指對(duì)A/D、D/A、鎖相環(huán)等兼有數(shù)字和模擬兩種信號(hào)的混合電路芯片的測試?；旌闲盘?hào)測試的測試時(shí)間長、費(fèi)用高、測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在實(shí)現(xiàn)上具有一定的難度。而數(shù)字電路測試系統(tǒng)有著出色的測試能力,如足夠的向量深度、靈活的數(shù)據(jù)格式、常規(guī)的交直流參數(shù)測試能力等。添加必要的程控模擬源以及模擬信號(hào)測試設(shè)備,運(yùn)用系統(tǒng)集成的方法,用高信噪比的數(shù)字電路測試系統(tǒng)以及帶有GPIB或VXI接口的設(shè)備構(gòu)造A/D、D/A等轉(zhuǎn)換芯片的測試環(huán)境,完全可以擴(kuò)展到混合信號(hào)電路的測試領(lǐng)域,可以在一定程度上解決混合信號(hào)測試的問題。

由NI公司出品的Labview語言,是一種圖形化編程語言,也是最通用的工程測試語言。Labview本身附帶的軟件包提供了大量帶有GPIB接口的可程控測試設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,在測試程序中添加這些現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序模塊,很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的操作,使軟件編寫變得非常簡單;Labview庫函數(shù)中的DSP函數(shù),可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,作頻譜分析。

選用Labview構(gòu)成測試的軟件環(huán)境,運(yùn)用系統(tǒng)集成的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路測試系統(tǒng)向混合信號(hào)測試的擴(kuò)展,可以依據(jù)不同的測試品種和測試要求,對(duì)系統(tǒng)靈活地加以配置,不管是軟件編寫還是硬件集成都非常方便、靈活、快捷。在構(gòu)筑測試系統(tǒng)時(shí),要充分考慮到以下三方面問題:系統(tǒng)中各部分的同步協(xié)調(diào)工作、降低系統(tǒng)噪聲、阻抗匹配。

1 A/D轉(zhuǎn)換芯片的測試環(huán)境構(gòu)成

1.1 硬件構(gòu)成

測試系統(tǒng)的硬件框圖如圖1。該系統(tǒng)的工作原理是:在SUN工作站運(yùn)行的測試程序通過GPIB接口程控任意波形發(fā)生器產(chǎn)生所需要的測試波形；由數(shù)字電路測試系統(tǒng)產(chǎn)生測試A/D轉(zhuǎn)換芯片所必需的數(shù)字激勵(lì)并獲取數(shù)字響應(yīng)信號(hào)。在測試過程中,每次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)提供任意波形發(fā)生器的時(shí)鐘脈沖信號(hào),保證測試的同步進(jìn)行,同時(shí)讀入A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出信號(hào);測試完畢后從數(shù)字電路測試系統(tǒng)的內(nèi)存中讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),并進(jìn)行處理。

高分辨率A/D的測試對(duì)測試系統(tǒng)本身的噪聲性能有較高的要求。測試系統(tǒng)必須具有分辨小信號(hào)的能力,如果系統(tǒng)噪聲太大,濾波不干凈,就會(huì)扭曲測試結(jié)果,甚至無法進(jìn)行測試。我們使用的數(shù)字測試系統(tǒng)為IMS公司的ATS60E測試系統(tǒng),信噪比可達(dá)到90～124dB,可以測試16 Bit音頻A/D,完全可以滿足測試的要求。而且系統(tǒng)除了圖表化的編程界面外,還提供Labview以及C語言的編程環(huán)境,很容易對(duì)測試過程進(jìn)行控制。

任意波形發(fā)生器內(nèi)部的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)數(shù)字化的波形,輸出時(shí)通過D/A將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。一般來說,輸出頻率和分辨率兩個(gè)指標(biāo)不可兼得?？梢愿鶕?jù)測試的A/D品種選擇高速、低分辨率或低速、高分辨率的設(shè)備。對(duì)普通的音頻A/D來說,Pragmatic 2711(16位，2MHz)是較好的選擇。任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的A/D常用測試波形一般有斜波(或三角波)和正弦波兩種:斜波主要用來測量靜態(tài)參數(shù),正弦波用來測動(dòng)態(tài)參數(shù)。在任意波形發(fā)生器后接高階有源濾波器,以平滑由于波形發(fā)生器內(nèi)部D/A存在量化誤差所產(chǎn)生的測試波形上的鋸齒,減少測試信號(hào)的失真。對(duì)高頻電路測試,一般的測試系統(tǒng)阻抗都為50Ω,要充分考慮到阻抗匹配的問題,以保證信號(hào)的最大通過和最小反射。

1.2 軟件構(gòu)成

測試軟件分兩部分:IMS-ATS60E數(shù)字電路測試系統(tǒng)的IMS測試程序及Labview測試程序(見圖2)。

數(shù)字電路測試系統(tǒng)的IMS測試程序完成如下功能:重復(fù)進(jìn)行若干次測試,每次測試都產(chǎn)生A/D的轉(zhuǎn)換控制信號(hào),同時(shí)提供一個(gè)數(shù)字信號(hào)作為系統(tǒng)同步時(shí)鐘,并捕獲轉(zhuǎn)換結(jié)果;對(duì)電路的數(shù)字部分進(jìn)行常規(guī)的交、直流參數(shù)測試。

Labview測試程序完成的功能有:初始化波形發(fā)生器,包括寫入測試波形,設(shè)置時(shí)鐘同步方式、波形幅度、偏壓等,產(chǎn)生的波形幅度為待測A/D滿幅輸入時(shí)模擬信號(hào)的幅度;控制數(shù)字電路測試系統(tǒng),調(diào)用測試程序并進(jìn)行測試,最后從數(shù)字測試系統(tǒng)的內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

2 A/D轉(zhuǎn)換芯片的幾種測試方法

測試A/D芯片的幾種常用方法有柱形圖(Histogram)分析法、離散參數(shù)傅立葉(FFT)變換法、拍頻(Beat frequency)測試法等。還有一種正弦波曲線擬合法(Curve fitting),它是在輸入波形為正弦波時(shí),算出輸出碼集與最佳擬合正弦曲線的均方差,與理想擬合誤差相比較即可得出結(jié)果,這種方法本文不予詳細(xì)說明。

不同測試方法的故障覆蓋是不一樣的。通常,FFT測試法與柱形圖法或拍頻測試法結(jié)合使用,以測試出A/D不同的失效狀況。下面是三種測試法的基本原理。

2.1 柱形圖分析法

在測試A/D的靜態(tài)參數(shù)時(shí),最常用的測試方法為柱形圖法。用斜波作為測試波形,程控任意波形發(fā)生器,產(chǎn)生的斜波幅度為A/D滿幅輸入模擬信號(hào),經(jīng)過高階Butter worth低通濾波器濾波后作為測試波形。對(duì)于n位的理想A/D,一套完全轉(zhuǎn)換碼應(yīng)為2n個(gè),而且每個(gè)碼值輸出的概率應(yīng)該是相等的。在理想情況下,如果初始化斜波每周期的點(diǎn)數(shù)為m•2n(m為正整數(shù)),那么每次任意波形發(fā)生器輸出一個(gè)完整的斜波,A/D轉(zhuǎn)換器必然輸出2n個(gè)碼,且每個(gè)碼的個(gè)數(shù)為m個(gè)。但實(shí)際上并非如此,由于A/D每個(gè)碼對(duì)應(yīng)的碼寬不同,因此測試過程中獲得的轉(zhuǎn)換碼的個(gè)數(shù)也必然會(huì)不同。例如,如果A/D有失碼,則必然會(huì)有的碼出現(xiàn)的次數(shù)為0;如果有的碼寬超過理想值,則該碼出現(xiàn)的次數(shù)會(huì)超過期望值(見圖3)。通過多次測試,對(duì)于轉(zhuǎn)換結(jié)果可以統(tǒng)計(jì)出每個(gè)碼出現(xiàn)的次數(shù),保存在數(shù)組N(i)中(第i個(gè)碼出現(xiàn)次數(shù)為N(i)),并作出每個(gè)碼對(duì)應(yīng)于該碼出現(xiàn)次數(shù)的柱形圖。而每個(gè)碼出現(xiàn)次數(shù)與總碼個(gè)數(shù)之比必然等于該碼的碼寬與輸入模擬幅值之比,因此利用柱形圖可以近似算出該碼對(duì)應(yīng)的碼寬,進(jìn)而計(jì)算DNL、INL等靜態(tài)參數(shù)。但是,為了得到每個(gè)碼寬的精確的統(tǒng)計(jì)值,就意味著要獲得大量的采樣數(shù)據(jù),對(duì)于12位的A/D,即使要獲得每個(gè)碼平均200個(gè)值的采樣點(diǎn)數(shù),那么采樣的總點(diǎn)數(shù)也將達(dá)到800000個(gè),這就對(duì)數(shù)字測試系統(tǒng)的向量深度提出了要求。

在進(jìn)行實(shí)際測試時(shí),要考慮到偏置誤差和增益誤差的影響,設(shè)定的A/D輸入模擬幅值一般應(yīng)略大于標(biāo)稱幅值,這樣轉(zhuǎn)換結(jié)果中端點(diǎn)的碼個(gè)數(shù)可能會(huì)多于其它點(diǎn)的個(gè)數(shù)?，F(xiàn)假設(shè)A/D實(shí)際設(shè)置幅度比理想幅度大s LSB(s的取值一般為5～10),平均碼個(gè)數(shù)為m,則除去第一點(diǎn)和最后一點(diǎn)的影響,碼值實(shí)際的平均個(gè)數(shù)k為:

這也就是1個(gè)LSB碼寬所對(duì)應(yīng)的碼的個(gè)數(shù)。

所謂的偏置誤差定義為偏置點(diǎn)的理想值與實(shí)際值的偏差。A/D的偏置點(diǎn)可以用如下方法求得:當(dāng)數(shù)字輸出由0向1轉(zhuǎn)變時(shí),模擬輸入值減去1/2 LSB的值。增益誤差是指在偏置誤差得到修正后,增益點(diǎn)的理想值與實(shí)際值的偏差。A/D的增益點(diǎn)是指當(dāng)數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換到最大值時(shí),模擬輸入值加上1/2LSB的值。這兩種誤差都可以通過修正,調(diào)整到0。由定義可以推出偏置誤差和增益誤差按碼出現(xiàn)次數(shù)的計(jì)算公式如下:

DNL定義為實(shí)際轉(zhuǎn)換碼寬與理想碼寬(1 LSB)的差。INL定義為實(shí)際轉(zhuǎn)換點(diǎn)與理想轉(zhuǎn)換點(diǎn)之差,通常要取每個(gè)轉(zhuǎn)換碼寬的中點(diǎn)與理想轉(zhuǎn)換曲線之差。所謂的理想轉(zhuǎn)換曲線有兩種定義,可以是輸出轉(zhuǎn)換點(diǎn)的最佳擬合直線,也可以是修正偏置誤差和增益誤差后的直線,第二種定義由于在計(jì)算上很方便所以實(shí)際上更常用。按碼的出現(xiàn)次數(shù)計(jì)算,第i個(gè)碼的DNL和INL值的計(jì)算公式為:

柱形圖測試法可以方便地測試出某一測試頻率下DNL、INL、增益和偏置誤差等參數(shù)的具體數(shù)值,檢測出失碼。關(guān)于柱形圖的計(jì)算,在Labview的功能菜單中,選Analysis下的Probability and Statistics子菜單,則有Histogram、Mean等統(tǒng)計(jì)模塊供選用,以便進(jìn)行計(jì)算。

2.2 FFT測試法

離散參數(shù)的快速傅立葉變換(FFT)可以進(jìn)行A/D的動(dòng)態(tài)參數(shù)測試。在這種方法下,任意波形發(fā)生器產(chǎn)生純正弦波,后接高階Chebyshev濾波器,濾掉信號(hào)的噪聲和失真,產(chǎn)生測試用的純正弦波。有些參數(shù)(如IMD)的測試,甚至要求測試波形是兩種頻率相接近的正弦波的疊加,頻率不是單一的。

這種測試方法是利用FFT算法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸出碼進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,計(jì)算A/D的頻譜參數(shù),以此看出各種轉(zhuǎn)換誤差以及失真在頻譜圖上表現(xiàn)出的噪聲背景。在沒有失真的理想情況下,在輸入模擬量為正弦波時(shí),輸出頻譜應(yīng)為頻率等于輸入頻率的沖激函數(shù)的圖形。事實(shí)上,A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差,轉(zhuǎn)換器內(nèi)部各種噪聲,甚至包括測試系統(tǒng)噪聲,都會(huì)在頻譜圖上的噪聲背景中體現(xiàn)出來;DNL、失碼、孔徑誤差、寬帶噪聲都會(huì)造成頻譜圖上噪聲背景的提升,而INL則會(huì)在測試信號(hào)的基波偏移帶內(nèi)表現(xiàn)出諧波失真(如圖4);轉(zhuǎn)換器內(nèi)部非線性部件的存在,使輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)在頻率上不但會(huì)有一個(gè)微小的偏移,而且會(huì)產(chǎn)生一系列的諧波分量(圖5)。

在計(jì)算過程中,如果采樣數(shù)據(jù)集的端點(diǎn)不連續(xù),會(huì)因引入采樣窗口而增加計(jì)算的繁瑣程度。而按照相關(guān)采樣原理,FFT就可以把輸出信號(hào)看成無窮的周期信號(hào),使計(jì)算變得簡單。滿足相關(guān)采樣原理的采樣方法必須滿足如下公式。

式中,M為采樣周期數(shù),必須為奇數(shù)。

     N為總采樣點(diǎn)數(shù),對(duì)于FFT算法其值必須為2的冪。

fT為輸入模擬正弦波的頻率。

fs為采樣頻率。

為了得到最佳測試結(jié)果,測試過程中所選的M與N的值必須要加以限制。為了保證采樣數(shù)據(jù)集端點(diǎn)相匹配,M必須選正整數(shù);FFT算法本身要求采樣點(diǎn)數(shù)值為2的冪;為獲得最佳測試效率和減少測試時(shí)間,M和N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。

由Nyquist采樣定理,采樣頻率至少是測試信號(hào)頻率的2倍,才能保證采樣不失真。但我們?cè)谶@種測試中采樣頻率遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)頻率,所以可以不考慮Nyquist頻率的影響。

衡量A/D動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)有:信號(hào)噪聲比(SNR)、信號(hào)噪聲失真比(SINAD)、諧波總失真(THD)、寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、交調(diào)失真(IMD)等。在計(jì)算出A/D轉(zhuǎn)換的頻譜后,這些參數(shù)按定義都很容易計(jì)算。計(jì)算中的諧波分量一般要求算到六階。

例如對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換存在的量化誤差,可以用信號(hào)噪聲比(SNR)這個(gè)參數(shù)計(jì)算A/D由量化誤差引入的噪聲背景。而SNR理論上的計(jì)算公式為:SNR=6.02n+1.76(dB),因?yàn)樵肼暦至恐谐肆炕肼?還有其它噪聲,實(shí)際測量結(jié)果會(huì)比這個(gè)值稍低一點(diǎn)。

關(guān)于FFT變換的計(jì)算,在Labview的功能菜單中,選Analysis下的Digital Signal Processing子菜單,可有Real FFT、Auto Power spectrum等模塊供選用,以進(jìn)行變換和參數(shù)計(jì)算。程序編寫可以參照Labview 安裝目錄下Examplesanalysismeasuremeasxmpl.llb中的THD.vi程序。

2.3 拍頻測試法

“拍頻”這個(gè)名稱說明了這種測試方法的原理,輸入正弦波的頻率與A/D的采樣頻率之間有一個(gè)微小的差值,因?yàn)樾纬闪艘粋€(gè)拍頻,對(duì)測試波形不斷的采樣和轉(zhuǎn)換結(jié)果也是一個(gè)正弦波(見圖6)。這種測試方法本來是將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換后在CRT上顯示出來,觀察正弦波的平滑性。這樣即使是低速的D/A也可以應(yīng)用于測試?，F(xiàn)在我們利用Labview,在測試中將ATS60E測試系統(tǒng)的測試頻率設(shè)定為fs,波形發(fā)生器的輸出正弦波的頻率設(shè)定為fs+Δf。將采樣結(jié)果在Labview的圖表上輸出,那么輸出點(diǎn)連起來必然為一個(gè)正弦波。而轉(zhuǎn)換誤差會(huì)表現(xiàn)為波形的失真和不連續(xù)。對(duì)頻差的設(shè)置最理想的情況是(這種連續(xù)的采樣)使每個(gè)碼都有一次采樣到的機(jī)會(huì),保證圖表輸出覆蓋所有可能的碼的故障。例如,10bit A/D,20MHz的采樣率,最大3MHz的差頻就可以保證每個(gè)碼至少一次采樣。

拍頻測試法可以測試三種誤差:DNL、INL和失碼,但是無法得出具體數(shù)值。最主要的是可以用來測量模擬帶寬。

本文主要探討的是用系統(tǒng)集成的方法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換芯片的測試,但是也可以擴(kuò)展到其它混合信號(hào)電路的測試中。比如D/A的測試思路,由數(shù)字測試系統(tǒng)產(chǎn)生D/A的控制信號(hào)以及轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸入信號(hào),產(chǎn)生的輸出模擬轉(zhuǎn)換結(jié)果可以用測試系統(tǒng)本身的精密測量單元來測試,也可以由外接程控的高精度萬用表來測量。

測試的基本原理和方法和20年前其實(shí)沒有太大區(qū)別,不過是由于軟硬件水平的發(fā)展,使測試環(huán)境更容易構(gòu)成。尤其是在具有一定規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室,各種測試設(shè)備相對(duì)比較齊全的情況下,這種擴(kuò)展方法特別體現(xiàn)了它經(jīng)濟(jì)、靈活的優(yōu)點(diǎn),很多情況下可以省去配置專門的混合信號(hào)測試系統(tǒng)。