A/D转换芯片的测试环境构成及测试方法

　　所谓的混合信号测试,是指对A/D、D/A、锁相环等兼有数字和模拟两种信号的混合电路芯片的测试。混合信号测试的测试时间长、费用高、测试系统结构复杂,在实现上具有一定的难度。而数字电路测试系统有着出色的测试能力,如足够的向量深度、灵活的数据格式、常规的交直流参数测试能力等。添加必要的程控模拟源以及模拟信号测试设备,运用系统集成的方法,用高信噪比的数字电路测试系统以及带有GPIB或VXI接口的设备构造A/D、D/A等转换芯片的测试环境,完全可以扩展到混合信号电路的测试领域,可以在一定程度上解决混合信号测试的问题。

　　由NI公司出品的Labview语言,是一种图形化编程语言,也是最通用的工程测试语言。Labview本身附带的软件包提供了大量带有GPIB接口的可程控测试设备的驱动程序,在测试程序中添加这些现成的驱动程序模块,很容易实现对外部设备的操作,使软件编写变得非常简单;Labview库函数中的DSP函数,可以方便地进行数据处理,作频谱分析。

　　选用Labview构成测试的软件环境,运用系统集成的方法实现数字电路测试系统向混合信号测试的扩展,可以依据不同的测试品种和测试要求,对系统灵活地加以配置,不管是软件编写还是硬件集成都非常方便、灵活、快捷。在构筑测试系统时,要充分考虑到以下三方面问题:系统中各部分的同步协调工作、降低系统噪声、阻抗匹配。

1 A/D转换芯片的测试环境构成

1.1 硬件构成

　　测试系统的硬件框图如图1。该系统的工作原理是:在SUN工作站运行的测试程序通过GPIB接口程控任意波形发生器产生所需要的测试波形；由数字电路测试系统产生测试A/D转换芯片所必需的数字激励并获取数字响应信号。在测试过程中,每次启动A/D转换的同时提供任意波形发生器的时钟脉冲信号,保证测试的同步进行,同时读入A/D转换器的数字输出信号;测试完毕后从数字电路测试系统的内存中读出转换数据,并进行处理。

　　高分辨率A/D的测试对测试系统本身的噪声性能有较高的要求。测试系统必须具有分辨小信号的能力,如果系统噪声太大,滤波不干净,就会扭曲测试结果,甚至无法进行测试。我们使用的数字测试系统为IMS公司的ATS60E测试系统,信噪比可达到90～124dB,可以测试16 Bit音频A/D,完全可以满足测试的要求。而且系统除了图表化的编程界面外,还提供Labview以及C语言的编程环境,很容易对测试过程进行控制。

　　任意波形发生器内部的存储空间存储数字化的波形,输出时通过D/A将数字信号转化为模拟信号。一般来说,输出频率和分辨率两个指标不可兼得。可以根据测试的A/D品种选择高速、低分辨率或低速、高分辨率的设备。对普通的音频A/D来说,Pragmatic 2711(16位，2MHz)是较好的选择。任意波形发生器产生的A/D常用测试波形一般有斜波(或三角波)和正弦波两种:斜波主要用来测量静态参数,正弦波用来测动态参数。在任意波形发生器后接高阶有源滤波器,以平滑由于波形发生器内部D/A存在量化误差所产生的测试波形上的锯齿,减少测试信号的失真。对高频电路测试,一般的测试系统阻抗都为50Ω,要充分考虑到阻抗匹配的问题,以保证信号的最大通过和最小反射。

1.2 软件构成

　　测试软件分两部分:IMS-ATS60E数字电路测试系统的IMS测试程序及Labview测试程序(见图2)。

　　数字电路测试系统的IMS测试程序完成如下功能:重复进行若干次测试,每次测试都产生A/D的转换控制信号,同时提供一个数字信号作为系统同步时钟,并捕获转换结果;对电路的数字部分进行常规的交、直流参数测试。

　　Labview测试程序完成的功能有:初始化波形发生器,包括写入测试波形,设置时钟同步方式、波形幅度、偏压等,产生的波形幅度为待测A/D满幅输入时模拟信号的幅度;控制数字电路测试系统,调用测试程序并进行测试,最后从数字测试系统的内存中读出数据并进行处理。

2 A/D转换芯片的几种测试方法

　　测试A/D芯片的几种常用方法有柱形图(Histogram)分析法、离散参数傅立叶(FFT)变换法、拍频(Beat frequency)测试法等。还有一种正弦波曲线拟合法(Curve fitting),它是在输入波形为正弦波时,算出输出码集与最佳拟合正弦曲线的均方差,与理想拟合误差相比较即可得出结果,这种方法本文不予详细说明。

　　不同测试方法的故障覆盖是不一样的。通常,FFT测试法与柱形图法或拍频测试法结合使用,以测试出A/D不同的失效状况。下面是三种测试法的基本原理。

2.1 柱形图分析法

　　在测试A/D的静态参数时,最常用的测试方法为柱形图法。用斜波作为测试波形,程控任意波形发生器,产生的斜波幅度为A/D满幅输入模拟信号,经过高阶Butter worth低通滤波器滤波后作为测试波形。对于n位的理想A/D,一套完全转换码应为2n个,而且每个码值输出的概率应该是相等的。在理想情况下,如果初始化斜波每周期的点数为m•2n(m为正整数),那么每次任意波形发生器输出一个完整的斜波,A/D转换器必然输出2n个码,且每个码的个数为m个。但实际上并非如此,由于A/D每个码对应的码宽不同,因此测试过程中获得的转换码的个数也必然会不同。例如,如果A/D有失码,则必然会有的码出现的次数为0;如果有的码宽超过理想值,则该码出现的次数会超过期望值(见图3)。通过多次测试,对于转换结果可以统计出每个码出现的次数,保存在数组N(i)中(第i个码出现次数为N(i)),并作出每个码对应于该码出现次数的柱形图。而每个码出现次数与总码个数之比必然等于该码的码宽与输入模拟幅值之比,因此利用柱形图可以近似算出该码对应的码宽,进而计算DNL、INL等静态参数。但是,为了得到每个码宽的精确的统计值,就意味着要获得大量的采样数据,对于12位的A/D,即使要获得每个码平均200个值的采样点数,那么采样的总点数也将达到800000个,这就对数字测试系统的向量深度提出了要求。