A/D轉換芯片的測試環境構成及測試方法

2 A/D轉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,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果,這種方法本文不予詳細說明。

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的靜態參數時,最常用的測試方法為柱形圖法。用斜波作為測試波形,程控任意波形發生器,產生的斜波幅度為A/D滿幅輸入模擬信號,經過高階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,一套完全轉換碼應為2n個,而且每個碼值輸出的概率應該是相等的。在理想情況下,如果初始化斜波每周期的點數為m2n(m為正整數),那么每次任意波形發生器輸出一個完整的斜波,A/D轉換器必然輸出2n個碼,且每個碼的個數為m個。但實際上并非如此,由于A/D每個碼對應的碼寬不同,因此測試過程中獲得的轉換碼的個數也必然會不同。例如,如果A/D有失碼,則必然會有的碼出現的次數為0;如果有的碼寬超過理想值,則該碼出現的次數會超過期望值(見圖3)。通過多次測試,對于轉換結果可以統計出每個碼出現的次數,保存在數組N(i)中(第i個碼出現次數為N(i)),并作出每個碼對應于該碼出現次數的柱形圖。而每個碼出現次數與總碼個數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的碼寬,進而計算DNL、INL等靜態參數。但是,為了得到每個碼寬的精確的統計值,就意味著要獲得大量的采樣數據,對于12位的A/D,即使要獲得每個碼平均200個值的采樣點數,那么采樣的總點數也將達到800000個,這就對數字測試系統的向量深度提出了要求。

在進行實際測試時,要考慮到偏置誤差和增益誤差的影響,設定的A/D輸入模擬幅值一般應略大于標稱幅值,這樣轉換結果中端點的碼個數可能會多于其它點的個數。現假設A/D實際設置幅度比理想幅度大s LSB(s的取值一般為5～10),平均碼個數為m,則除去第一點和最后一點的影響,碼值實際的平均個數k為:

這也就是1個LSB碼寬所對應的碼的個數。

所謂的偏置誤差定義為偏置點的理想值與實際值的偏差。A/D的偏置點可以用如下方法求得:當數字輸出由0向1轉變時,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,增益點的理想值與實際值的偏差。A/D的增益點是指當數字輸出轉換到最大值時,模擬輸入值加上1/2LSB的值。這兩種誤差都可以通過修正,調整到0。由定義可以推出偏置誤差和增益誤差按碼出現次數的計算公式如下:

DNL定義為實際轉換碼寬與理想碼寬(1 LSB)的差。INL定義為實際轉換點與理想轉換點之差,通常要取每個轉換碼寬的中點與理想轉換曲線之差。所謂的理想轉換曲線有兩種定義,可以是輸出轉換點的最佳擬合直線,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算上很方便所以實際上更常用。按碼的出現次數計算,第i個碼的DNL和INL值的計算公式為:

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的具體數值,檢測出失碼。關于柱形圖的計算,在Labview的功能菜單中,選Analysis下的Probability and Statistics子菜單,則有Histogram、Mean等統計模塊供選用,以便進行計算。

2.2 FFT測試法

離散參數的快速傅立葉變換(FFT)可以進行A/D的動態參數測試。在這種方法下,任意波形發生器產生純正弦波,后接高階Chebyshev濾波器,濾掉信號的噪聲和失真,產生測試用的純正弦波。有些參數(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。