A/D轉換芯片的測試環境構成及測試方法

這種測試方法是利用FFT算法對A/D轉換芯片的輸出碼進行數字信號處理,計算A/D的頻譜參數,以此看出各種轉換誤差以及失真在頻譜圖上表現出的噪聲背景。在沒有失真的理想情況下,在輸入模擬量為正弦波時,輸出頻譜應為頻率等于輸入頻率的沖激函數的圖形。事實上,A/D轉換器的量化誤差,轉換器內部各種噪聲,甚至包括測試系統噪聲,都會在頻譜圖上的噪聲背景中體現出來;DNL、失碼、孔徑誤差、寬帶噪聲都會造成頻譜圖上噪聲背景的提升,而INL則會在測試信號的基波偏移帶內表現出諧波失真(如圖4);轉換器內部非線性部件的存在,使輸出信號相對于輸入信號在頻率上不但會有一個微小的偏移,而且會產生一系列的諧波分量(圖5)。

在計算過程中,如果采樣數據集的端點不連續,會因引入采樣窗口而增加計算的繁瑣程度。而按照相關采樣原理,FFT就可以把輸出信號看成無窮的周期信號,使計算變得簡單。滿足相關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,必須為奇數。

N為總采樣點數,對于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。

為了得到最佳測試結果,測試過程中所選的M與N的值必須要加以限制。為了保證采樣數據集端點相匹配,M必須選正整數;FFT算法本身要求采樣點數值為2的冪;為獲得最佳測試效率和減少測試時間,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,采樣頻率至少是測試信號頻率的2倍,才能保證采樣不失真。但我們在這種測試中采樣頻率遠大于輸入信號頻率,所以可以不考慮Nyquist頻率的影響。

衡量A/D動態性能的指標有:信號噪聲比(SNR)、信號噪聲失真比(SINAD)、諧波總失真(THD)、寄生動態范圍(SFDR)、交調失真(IMD)等。在計算出A/D轉換的頻譜后,這些參數按定義都很容易計算。計算中的諧波分量一般要求算到六階。

例如對于A/D轉換存在的量化誤差,可以用信號噪聲比(SNR)這個參數計算A/D由量化誤差引入的噪聲背景。而SNR理論上的計算公式為:SNR=6.02n+1.76(dB),因為噪聲分量中除了量化噪聲,還有其它噪聲,實際測量結果會比這個值稍低一點。

關于FFT變換的計算,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,以進行變換和參數計算。程序編寫可以參照Labview 安裝目錄下Examplesanalysismeasuremeasxmpl.llb中的THD.vi程序。

2.3 拍頻測試法

“拍頻”這個名稱說明了這種測試方法的原理,輸入正弦波的頻率與A/D的采樣頻率之間有一個微小的差值,因為形成了一個拍頻,對測試波形不斷的采樣和轉換結果也是一個正弦波(見圖6)。這種測試方法本來是將轉換的數字信號經過一個D/A轉換后在CRT上顯示出來,觀察正弦波的平滑性。這樣即使是低速的D/A也可以應用于測試。現在我們利用Labview,在測試中將ATS60E測試系統的測試頻率設定為fs,波形發生器的輸出正弦波的頻率設定為fs+Δf。將采樣結果在Labview的圖表上輸出,那么輸出點連起來必然為一個正弦波。而轉換誤差會表現為波形的失真和不連續。對頻差的設置最理想的情況是(這種連續的采樣)使每個碼都有一次采樣到的機會,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碼至少一次采樣。

拍頻測試法可以測試三種誤差:DNL、INL和失碼,但是無法得出具體數值。最主要的是可以用來測量模擬帶寬。

本文主要探討的是用系統集成的方法進行A/D轉換芯片的測試,但是也可以擴展到其它混合信號電路的測試中。比如D/A的測試思路,由數字測試系統產生D/A的控制信號以及轉換的數字輸入信號,產生的輸出模擬轉換結果可以用測試系統本身的精密測量單元來測試,也可以由外接程控的高精度萬用表來測量。

測試的基本原理和方法和20年前其實沒有太大區別,不過是由于軟硬件水平的發展,使測試環境更容易構成。尤其是在具有一定規模的實驗室,各種測試設備相對比較齊全的情況下,這種擴展方法特別體現了它經濟、靈活的優點,很多情況下可以省去配置專門的混合信號測試系統。