A/D轉(zhuǎn)換芯片的測試環(huán)境構(gòu)成及測試方法

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,經(jīng)過高階Butter worth低通濾波器濾波后作為測試波形。對于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m2n(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。