A/D轉換芯片的測試環(huán)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(shù)字信號處理,計算A/D的頻譜參數(shù),以此看出各種轉換誤差以及失真在頻譜圖上表現(xiàn)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(shù)的圖形。事實上,A/D轉換器的量化誤差,轉換器內(nèi)部各種噪聲,甚至包括測試系統(tǒng)噪聲,都會在頻譜圖上的噪聲背景中體現(xiàn)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(nèi)表現(xiàn)出諧波失真(如圖4);轉換器內(nèi)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(chǎn)生一系列的諧波分量(圖5)。

在計算過程中,如果采樣數(shù)據(jù)集的端點不連續(xù),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(shù),必須為奇數(shù)。

N為總采樣點數(shù),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(shù)據(jù)集端點相匹配,M必須選正整數(shù);FFT算法本身要求采樣點數(shù)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(tài)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(tài)范圍(SFDR)、交調(diào)失真(IMD)等。在計算出A/D轉換的頻譜后,這些參數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)字信號經(jīng)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?，F(xiàn)在我們利用Labview,在測試中將ATS60E測試系統(tǒng)的測試頻率設定為fs,波形發(fā)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(xiàn)為波形的失真和不連續(xù)。對頻差的設置最理想的情況是(這種連續(xù)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(shù)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(tǒng)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(shù)字測試系統(tǒng)產(chǎn)生D/A的控制信號以及轉換的數(shù)字輸入信號,產(chǎn)生的輸出模擬轉換結果可以用測試系統(tǒng)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(qū)別,不過是由于軟硬件水平的發(fā)展,使測試環(huán)境更容易構成。尤其是在具有一定規(guī)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(xiàn)了它經(jīng)濟、靈活的優(yōu)點,很多情況下可以省去配置專門的混合信號測試系統(tǒng)。