2 A/D转换芯片的几种测试方法

测试A/D芯片的几种常用方法有柱形图(Histogram)分析法、离散参数傅立叶(FFT)变换法、拍频(Beat frequency)测试法等。还有一种正弦波曲线拟合法(Curve fitting),它是在输入波形为正弦波时,算出输出码集与最佳拟合正弦曲线的均方差,与理想拟合误差相比较即可得出结果,这种方法本文不予详细说明。

不同测试方法的故障覆盖是不一样的。通常,FFT测试法与柱形图法或拍频测试法结合使用,以测试出A/D不同的失效状况。下面是三种测试法的基本原理。

2.1 柱形图分析法

在测试A/D的静态参数时,最常用的测试方法为柱形图法。用斜波作为测试波形,程控任意波形发生器,产生的斜波幅度为A/D满幅输入模拟信号,经过高阶Butter worth低通滤波器滤波后作为测试波形。对于n位的理想A/D,一套完全转换码应为2n个,而且每个码值输出的概率应该是相等的。在理想情况下,如果初始化斜波每周期的点数为m•2n(m为正整数),那么每次任意波形发生器输出一个完整的斜波,A/D转换器必然输出2n个码,且每个码的个数为m个。但实际上并非如此,由于A/D每个码对应的码宽不同,因此测试过程中获得的转换码的个数也必然会不同。例如,如果A/D有失码,则必然会有的码出现的次数为0;如果有的码宽超过理想值,则该码出现的次数会超过期望值(见图3)。通过多次测试,对于转换结果可以统计出每个码出现的次数,保存在数组N(i)中(第i个码出现次数为N(i)),并作出每个码对应于该码出现次数的柱形图。而每个码出现次数与总码个数之比必然等于该码的码宽与输入模拟幅值之比,因此利用柱形图可以近似算出该码对应的码宽,进而计算DNL、INL等静态参数。但是,为了得到每个码宽的精确的统计值,就意味着要获得大量的采样数据,对于12位的A/D,即使要获得每个码平均200个值的采样点数,那么采样的总点数也将达到800000个,这就对数字测试系统的向量深度提出了要求。

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。