A/D轉(zhuǎn)換芯片的測(cè)試環(huán)境構(gòu)成及測(cè)試方法

這種測(cè)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(méi)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(cè)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(lái);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(cè)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(guò)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(wú)窮的周期信號(hào),使計(jì)算變得簡(jiǎn)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(cè)試結(jié)果,測(cè)試過(guò)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(cè)試效率和減少測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試法

“拍頻”這個(gè)名稱說(shuō)明了這種測(cè)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(cè)試波形不斷的采樣和轉(zhuǎn)換結(jié)果也是一個(gè)正弦波(見(jiàn)圖6)。這種測(cè)試方法本來(lái)是將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換后在CRT上顯示出來(lái),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(cè)試。現(xiàn)在我們利用Labview,在測(cè)試中將ATS60E測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)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(lái)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(cè)試法可以測(cè)試三種誤差:DNL、INL和失碼,但是無(wú)法得出具體數(shù)值。最主要的是可以用來(lái)測(cè)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(cè)試,但是也可以擴(kuò)展到其它混合信號(hào)電路的測(cè)試中。比如D/A的測(cè)試思路,由數(shù)字測(cè)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(cè)試系統(tǒng)本身的精密測(cè)量單元來(lái)測(cè)試,也可以由外接程控的高精度萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量。

測(cè)試的基本原理和方法和20年前其實(shí)沒(méi)有太大區(qū)別,不過(guò)是由于軟硬件水平的發(fā)展,使測(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)。