A/D转换芯片的测试环境构成及测试方法

　　在进行实际测试时,要考虑到偏置误差和增益误差的影响,设定的A/D输入模拟幅值一般应略大于标称幅值,这样转换结果中端点的码个数可能会多于其它点的个数。现假设A/D实际设置幅度比理想幅度大s LSB(s的取值一般为5～10),平均码个数为m,则除去第一点和最后一点的影响,码值实际的平均个数k为:

　　这也就是1个LSB码宽所对应的码的个数。

　　所谓的偏置误差定义为偏置点的理想值与实际值的偏差。A/D的偏置点可以用如下方法求得:当数字输出由0向1转变时,模拟输入值减去1/2 LSB的值。增益误差是指在偏置误差得到修正后,增益点的理想值与实际值的偏差。A/D的增益点是指当数字输出转换到最大值时,模拟输入值加上1/2LSB的值。这两种误差都可以通过修正,调整到0。由定义可以推出偏置误差和增益误差按码出现次数的计算公式如下:

　　DNL定义为实际转换码宽与理想码宽(1 LSB)的差。INL定义为实际转换点与理想转换点之差,通常要取每个转换码宽的中点与理想转换曲线之差。所谓的理想转换曲线有两种定义,可以是输出转换点的最佳拟合直线,也可以是修正偏置误差和增益误差后的直线,第二种定义由于在计算上很方便所以实际上更常用。按码的出现次数计算,第i个码的DNL和INL值的计算公式为:

　　柱形图测试法可以方便地测试出某一测试频率下DNL、INL、增益和偏置误差等参数的具体数值,检测出失码。关于柱形图的计算,在Labview的功能菜单中,选Analysis下的Probability and Statistics子菜单,则有Histogram、Mean等统计模块供选用,以便进行计算。

2.2 FFT测试法

　　离散参数的快速傅立叶变换(FFT)可以进行A/D的动态参数测试。在这种方法下,任意波形发生器产生纯正弦波,后接高阶Chebyshev滤波器,滤掉信号的噪声和失真,产生测试用的纯正弦波。有些参数(如IMD)的测试,甚至要求测试波形是两种频率相接近的正弦波的叠加,频率不是单一的。

　　这种测试方法是利用FFT算法对A/D转换芯片的输出码进行数字信号处理,计算A/D的频谱参数,以此看出各种转换误差以及失真在频谱图上表现出的噪声背景。在没有失真的理想情况下,在输入模拟量为正弦波时,输出频谱应为频率等于输入频率的冲激函数的图形。事实上,A/D转换器的量化误差,转换器内部各种噪声,甚至包括测试系统噪声,都会在频谱图上的噪声背景中体现出来;DNL、失码、孔径误差、宽带噪声都会造成频谱图上噪声背景的提升,而INL则会在测试信号的基波偏移带内表现出谐波失真(如图4);转换器内部非线性部件的存在,使输出信号相对于输入信号在频率上不但会有一个微小的偏移,而且会产生一系列的谐波分量(图5)。

在计算过程中,如果采样数据集的端点不连续,会因引入采样窗口而增加计算的繁琐程度。而按照相关采样原理,FFT就可以把输出信号看成无穷的周期信号,使计算变得简单。满足相关采样原理的采样方法必须满足如下公式。

　　式中,M为采样周期数,必须为奇数。

　　N为总采样点数,对于FFT算法其值必须为2的幂。

　　fT为输入模拟正弦波的频率。

　　fs为采样频率。

　　为了得到最佳测试结果,测试过程中所选的M与N的值必须要加以限制。为了保证采样数据集端点相匹配,M必须选正整数;FFT算法本身要求采样点数值为2的幂;为获得最佳测试效率和减少测试时间,M和N要求不可约分。而且为了保证FFT变换一定的故障覆盖率,N取值不能太小。

　　由Nyquist采样定理,采样频率至少是测试信号频率的2倍,才能保证采样不失真。但我们在这种测试中采样频率远大于输入信号频率,所以可以不考虑Nyquist频率的影响。

　　衡量A/D动态性能的指标有:信号噪声比(SNR)、信号噪声失真比(SINAD)、谐波总失真(THD)、寄生动态范围(SFDR)、交调失真(IMD)等。在计算出A/D转换的频谱后,这些参数按定义都很容易计算。计算中的谐波分量一般要求算到六阶。

　　例如对于A/D转换存在的量化误差,可以用信号噪声比(SNR)这个参数计算A/D由量化误差引入的噪声背景。

而SNR理论上的计算公式为:SNR=6.02n+1.76(dB),因为噪声分量中除了量化噪声,还有其它噪声,实际测量结果会比这个值稍低一点。

　　关于FFT变换的计算,在Labview的功能菜单中,选Analysis下的Digital Signal Processing子菜单,可有Real FFT、Auto Power spectrum等模块供选用,以进行变换和参数计算。程序编写可以参照Labview 安装目录下Examplesanalysismeasuremeasxmpl.llb中的THD.vi程序。

2.3 拍频测试法

　　"拍频"这个名称说明了这种测试方法的原理,输入正弦波的频率与A/D的采样频率之间有一个微小的差值,因为形成了一个拍频,对测试波形不断的采样和转换结果也是一个正弦波(见图6)。这种测试方法本来是将转换的数字信号经过一个D/A转换后在CRT上显示出来,观察正弦波的平滑性。这样即使是低速的D/A也可以应用于测试。现在我们利用Labview,在测试中将ATS60E测试系统的测试频率设定为fs,波形发生器的输出正弦波的频率设定为fs+Δf。将采样结果在Labview的图表上输出,那么输出点连起来必然为一个正弦波。而转换误差会表现为波形的失真和不连续。对频差的设置最理想的情况是(这种连续的采样)使每个码都有一次采样到的机会,保证图表输出覆盖所有可能的码的故障。例如,10bit A/D,20MHz的采样率,最大3MHz的差频就可以保证每个码至少一次采样。