基于Labview軟件的ADC計算機輔助測試系統(tǒng)設計

摘要：在CMOS圖像傳感器中，A/D起著“承上啟下”的作用，承接前端傳來的信號，轉換成數(shù)字后輸出，其性能指標直接影響著整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。隨著ADC速度和精度的提高，如何高效、準確地測試其動態(tài)和靜態(tài)參數(shù)是ADC測試研究的重點。文中闡述了ADC的參數(shù)及其測試的原理和方法，并基于Labview軟件和數(shù)據(jù)采集卡構建了ADC的軟硬件測試平臺，實現(xiàn)了低成本、高可靠性的高精度ADC計算機輔助測試系統(tǒng)。

隨著CMOS技術的迅猛發(fā)展，CMOS圖像傳感器以其高集成度、低功耗、低成本等優(yōu)點，已廣泛用于超微型數(shù)碼相機、PC機電腦眼、指紋識別、手機等圖像采集的領域。

CMOS圖像傳感器的工作流程可以簡單表述為：外界光信號由像素陣列采集并轉換為模擬信號，再通過讀出電路傳輸給A/D轉換器，最后交于后續(xù)數(shù)字電路進行處理。由此可見，A/D轉換器在整個CMOS圖像傳感器中起著“承上啟下”的作用，其性能指標直接影響著整個系統(tǒng)的優(yōu)劣，從而使得ADC的性能測試變得十分重要。

目前業(yè)界已經存在一些通用的ADC測試方法，例如針對靜態(tài)指標測試的直方圖法，針對動態(tài)指標測試的快速傅式變換法，以及專門針對ENOB的正弦波適應法等，但是還沒有單一的測試方法能夠有效測試出所有的ADC參數(shù)。

ADC測試需要解決成本和效率的問題，故需要根據(jù)ADC典型應用的環(huán)境，選取一些關鍵指標和有效的測試方法，制定合理的測試方案。本文中ADC主要用于CMOS圖像傳感器的數(shù)字輸出，結合Labview軟件分析程序和測試儀器，搭建了一套ADC綜合性能測試系統(tǒng)。

1 ADC性能測試系統(tǒng)

1.1 ADC性能參數(shù)

表征ADC性能的參數(shù)通常可分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。其中，靜態(tài)參數(shù)描述的是ADC自身的內在特性，與所設計的ADC內部電路的誤差和噪聲有關，這些誤差包括ADC的增益誤差、失調誤差、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)等，主要關注的是具體的模擬輸入電平與相應數(shù)字輸出代碼之間的關系，表征靜止的模擬輸入信號轉換成數(shù)字輸出信號的精確度;而動態(tài)參數(shù)描述的是ADC采樣和重現(xiàn)時序變化信號的能力，關注ADC在交流條件情況下的性能表現(xiàn)，主要包括信噪比(SNR)、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、總諧波失真(THD)、信納比(SINAD)以及有效位數(shù)(EN OB)等，這些參數(shù)的測試都是通過對輸入合適的正弦模擬信號并獲取了芯片正確轉換得到的數(shù)字碼之后，進行快速傅氏變換(FFT)計算得來的。表1為ADC典型參數(shù)的公式定義。

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1.2 測試原理和方法

目前常規(guī)的測試系統(tǒng)不能同時分析多種性能參數(shù)，例如：一般的動態(tài)測試系統(tǒng)只能測試ADC動態(tài)參數(shù)，如信噪比和信號噪聲失真比等參數(shù)，而傳遞特性的測試系統(tǒng)只能測試傳遞特性等，具有適應性比較差、使用不方便等缺點。針對這些缺點，本文開發(fā)了一套由Labview軟件分析程序和測試儀器構建的綜合性能測試系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，測試程序將兩種測試分析方法綜合到一起，采用了碼密度直方圖測試法測試靜態(tài)特性參數(shù)、FFT測試法測試動態(tài)特性參數(shù)。在測試程序中，這些測試方法只是數(shù)學分析算法上的不同，硬件基本一致。因此可很方便的根據(jù)外加測試條件的不同而一鍵選擇不同的測試方法。

1.2.1 碼密度直方圖測試法

該方法通過統(tǒng)計學的原理，對輸入正弦波情況下的輸出數(shù)字碼進行振幅域的分布統(tǒng)計。圖1就是通過這種方法生成的浴盆曲線。

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該浴盆曲線的橫坐標代表了0到1 024(210)個數(shù)字碼點，縱坐標代表了輸出為該數(shù)字碼的個數(shù)。在理想情況下，數(shù)字碼分布的概率密度函數(shù)為：

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其中FSR代表ADC的滿量程范圍，n代表數(shù)字碼的序號，N代表分辨率。這樣理想情況下和實際測量的輸出特定的數(shù)字碼個數(shù)之差就可以得出DNL，而將DNLk求和即能得到INL的誤差值。

1.2.2 FFT分析法

FFT法是對時域采集的一組數(shù)據(jù)進行FFT運算，得到采樣信號的傅立葉頻譜，然后從頻譜中得到信號、噪聲及諧波分量的功率，經加工計算可得到SNR、THD、SINAD、ENOB、SFDR這些動態(tài)參數(shù)。在實際測試過程中，需要應用相關采樣原理，即必須滿足如下公式：

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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算法必須為2的冪。ft為輸入模擬正弦波頻率，fs為采樣頻率。同時為了獲得最佳測試效率和減少測試時間，M和Ⅳ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。

1.3 測試系統(tǒng)組成

文中所測10bit、8Msps ADC主要用于CMOS圖像傳感器的芯片級數(shù)字輸出，其結構為流水線型，輸入信號擺幅為Vp-p為2.4 V，共模電壓為2.5 V，這意味著模擬輸入電壓范圍是1.3～3.7 V。這樣模擬輸入精度就是1LSB=(Vinmax-Vinmin)/2n=2.34 mV(n為數(shù)字輸出位數(shù))，為了能測試這樣精度的芯片，我們需要輸入更高精度的模擬電壓。因此除了對測試方法的選取要求較高外，也對測試系統(tǒng)的構成和測試板的設計與制作提出了很高的要求。

圖2為ADC測試平臺結構。該系統(tǒng)的工作原理是：由正弦波發(fā)生器產生一幅度略大于ADC滿幅度輸入范圍的正弦波，作為模擬信號輸入到ADC測試板，經濾波后輸入到ADC輸入端，ADC將其轉換為相應的數(shù)字輸出至數(shù)字采集卡，采集卡將其組合成數(shù)字碼，然后用分析軟件進行分析，給出測試結果。

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