ADC參數及ENOB測試

印寧華|印寧華|Indining China|

2022-05-19 12:10:34 74

隨著數字技術的不斷發展和計算機在信號處理、控制等領域中的?泛應?，過去由模擬電路實現的?作，今天越來越多地由數字電路或計算機來處理。作為模擬與數字之間的橋梁，模擬數字轉換器（ADC）的重要性越來越突出，由此也推動了ADC測試技術的發展。

本文先介紹了ADC的測試，包括靜態參數和動態參數測試，然后結合?動測試系統測試實例，詳細介紹了 ADC芯片參數的測試過程。

測試原理

1. 1　靜態參數的測試原理

ADC的靜態參數是指在低速或者直流流入ADC芯片測得的各種性能參數。靜態參數測試方法有逐點測試法等，其主要測試過程如圖1所示。

（1）零點誤差的測量

零點誤差又稱輸入失調，是實際模數轉換曲線中數字0的代碼中點與理想模數轉換曲線中數字0的代碼中點的最大誤差，記為EZ。其測試方法如下：輸入電壓逐漸增大，當圖1中的數字顯示裝置從00..00變為00..01，記下此時輸入電壓Vin1 ，然后逐漸減小輸入電壓，使數字顯示裝置由00..01變為00..00，記下輸入電壓Vin2 ：
　　

　　式中：N 為A /D的位數; VFSR 為A /D輸入電壓的滿量程值，LSB為ADC的最低有效位。

（2）增益誤差EG 測量

增益誤差是指轉換特性曲線的實際斜率與理想斜率之間的偏差。測試方法如下：把零點誤差調整為0，輸入電壓從滿量程開始變化，使數字輸出由11..11 變11..10，記為Vin1。反方向逐漸變化Vin ，使輸出端由11..10變為11..11，記下輸入電壓Vin2 。則：

（3）線性誤差的測量

線性誤差指實際轉換曲線與理想特性曲線間的最大偏差。實際測量是測試第j碼的代碼中心值，將其與理想第j碼的中心值比較，測試方法如下：①調節輸入電壓，使數字輸出端由第j碼變為第j - 1碼，記為Vin1 ; ②調節輸入電壓，使數字輸出端由第j - 1碼變為第j碼，記為Vin2 ; ③調節輸入電壓，使數字輸出端由第j碼變為第j +1碼，記為Vin3 ; ④調節輸入電壓，使數字輸出端由第j + 1碼變為第j碼，記為Vin4 ; ⑤求出第j碼的偏差ΔVj 為：

式中：Vj為理想狀態時ADC第j碼的標稱量化值; ⑥重復以上步驟，測得所有數碼的偏差，取其*值Δ︱Vj ︱的最大值即為線性誤差。

（4）微分線性誤差的測量

微分線性誤差是實際轉換特性曲線的碼寬與理想碼寬之間的最大偏差。實際上，對線性誤差的測量和微分線性誤差的測量是同時進行的，找出被測點N 對應的模擬電壓實測值，再找出對應于N + 1的模擬電壓實測值，兩者之差即為實際轉換曲線在該點的碼寬。從第j個數字值變為第j + 1碼的數字值，實際對應的模擬Vin1 輸入值之差，這個差值與理想的步長1 LSB的差，然后取其最大值，就是微分線性誤差。即測得第j碼的實際碼寬Δj：

將Δj與1 LSB相比，取其偏差的*值最大就是所要測的微分線性誤差。

1. 2　動態參數的測試原理

ADC的動態性能包括很多，如信噪比（ SNR）、信號與噪聲失真之比（ SINAD）、總諧波失真（ THD）、無雜散動態范圍（ SFDR）、雙音互調失真（ TTIMD）等。動態參數的測試方法有動態信號疊加測試法、譜分析FFT法和直方圖法等。

（1）動態信號疊加測試法［ 526 ］

它的基本思想是在被測A /D 轉換器模擬輸入的參考電壓上疊加一個小的交流信號，使A /D轉換器輸出的數字量短時間內在指定碼周圍以一定頻率來回變化，從而測試出相應的躍變點和代碼中心值，并可確定出零點誤差、增益誤差、相對精度和微分線性誤差。這種方法簡單易行，但是受到分辨率和速度的限制。

（2）譜分析FFT法

將滿量程正弦信號送到被檢的ADC中，轉換后的結果存放在存儲器中，然后對輸出數據實施FFT運算，從而計算出SNR、THD等參數。輸入由2個不同頻率的正弦波組成，實施FFT運算后可以計算出IMD。在測試高精度ADC時，要求FFT的長度足夠，測試頻率的選擇是FFT法應用的一個關鍵問題。另外， FFT法要求采樣頻率不能是信號頻率的整數倍。FFT法是ADC動態測試中很常用的方法，其優點是直觀、簡便，幾乎所有ADC的失真都可在其輸出頻譜上表現出來。但是這種方法不能避免頻譜泄露和ADC以外的誤差源對測試帶來的影響。

（3）碼密度直方圖法

這種方法是將一個正弦波送到被測A /D轉換器中，由計算機記錄下A /D轉換器采樣點的數量，然后計算機通過軟件進行運算和處理，繪出直方圖，從而定量地表示出微分線性誤差、失碼和增益誤差等參數。

測試系統組成

下面將介紹如何在BC3192V50 測試系統上實施ADC的測試。該系統是由北京自動測試技術研究所開發研制的VXI總線型數模混合集成電路測試系統，系統最大測試速率為50 MHz，提供16 bit分辨率、100 KHz轉換/采樣率，可由數字系統同步觸發的波形產生器、波形分析器及高速DSP處理器，具有較強的模擬信號測試及混合信號測試。

2. 1　測試系統硬件結構

（1）第1層：稱為“母機”，提供測試各類IC所需要的最基本、最通用的硬件資源。它包括：①電源; ②精密測量單元（ PMU）及可程控繼電器矩陣; ③精密電壓表;④數字電路部分。

（2）第2層：適配器層，它是在母機大平臺的基礎上為某類器件的測試提供的匹配層，為某類IC的測試提供的專用測試電路。

（3）第3層：個性卡層，是為測試某類之中的具體的某個IC而設計的小板。其中適配器是針對具體芯片而開發的測試電路，是開發各種芯片測試的關鍵。

2. 2　測試系統的軟件
包括各儀器模塊的驅動程序、軟面板、調試程序、用戶測試程序開發環境和測試程序庫等。

測試系統環境配置

3. 1　單調漏碼掃描測試

2. 1節已經講了靜態參數的測試原理，很容易就能在本測試系統實現。下面以快速單調漏碼掃描測試為例，介紹測試適配器的配置。快速漏碼掃描電路如圖2 所示。在圖的左側，積分電路用以產生單調直線上升或下降的電壓，電壓的上升或下降幅度大于被測DUT的模擬輸入電壓范圍;圖右側是由DUT輸出的數字量和計算器構成的數字比較電路。在掃描之前，計算機通過數據總線將計數器預置成DUT的模擬輸入電壓的最低值時，所對應的數字量，此處設為數字0。此時開關S1斷開， S2閉合，使DUT的模擬輸入值從0開始。積分電路的輸入電壓是由DAC產生的，它由程序設定以便控制積分電路的電壓上升速率，使之和被測器件的轉換時間相匹配。其電壓上升速率一般為：積分電路的輸出電壓增加時，被測器件ADC的輸出從數值D →D + 1 所需要的時間，約等于10 倍的被測器件ADC的轉換時間。當掃描開始后，開關S1 閉合， S2 斷開，使積分電路呈線性掃描狀態。被測器件被周期地觸發，使之對輸入的信號進行A /D轉換。其輸出與計數器相比較，若相等，則由數字比較電路產生一個脈沖，使計數器自動“加1”。而在掃描過程中，計算機通過數據總線不斷地讀取計數器的數值，并做出判斷：若在規定的時間內，計數器應“加1”，而未“加1”，則判定DUT在此處有漏碼。其漏碼的位置只要讀出計數器的當前值就可以了，若在規定時間內，計數器被正常地“加1”，且計數器的計數值達到被測器件DUT輸出的最大值，則DUT無漏碼。

3. 2　測試動態參數的碼密度直方圖法和譜分析FFT法測試環境配置

基于測試主機提供了強大的DSP數字信號處理能力，這個機臺還可以使用碼密度直方圖法和譜分析FFT法測試動態參數。其測試原理如圖3 所示，主機高精度信號源產生一個正弦波或三角波，輸入被測ADC，在FFT法測試中，ADC輸出數碼被接收器接收后，地址產生器順序產生地址，把鎖存器鎖存的數據寫入存儲器，然后傳送到主機，用分析軟件分析，并給出測試結果。在直方圖

實測結果

應用BC3192V50測試系統對ADC進行了實際測試，圖4為對一12位的逐次逼近型ADC直方圖的測試結果，其中圖4 （a）為積分非線性的結果，圖4 （b）為微分非線性的結果。積分非線性和微分非線性的測試結果都控制在0. 5 LSB之下。

小結

結合ADC的靜態和動態測試原理，給出了基于測試系統的ADC靜態參數和動態參數測試的一般過程，并對此過程測試環境進行了較為詳細的分析。從而用國產的自動測試系統實現了ADC的低成本、高可靠性的計算機輔助測試。

高精度高速ADC有效位ENOB的測量
作為連接模擬*和數字*的橋梁，ADC的性能影響整個系統的性能。如何對ADC進行性能測試是目前ADC研究的熱門領域之一。表征ADC的性能參數分為靜態性能參數和動態性能參數。靜態性能參數描述ADC的內在特性，主要關注穩定模擬輸入與對應數字輸出的關系；動態性能參數描述的是ADC采樣和重現時序變化信號的能力。用于定量表示ADC動態性能的常用參數有6個，分別是：SINAD(信納比)、ENOB(有效位數)、SNR(信噪比)、THD(總諧波失真)、THD+N(總諧波失真加噪聲)和SFDR(無雜散動態范圍)等。在這些動態性能參數中，ENOB是表征ADC的動態性能的重要參數，ADC自身及外部電路產生的噪聲和諧波等都可以在該參數中得到反映。

測試ADC性能參數的方法主要有模擬方法和數字方法兩種。模擬方法是將ADC得到的采樣數據經DAC轉換為模擬信號，再使用傳統的方法進行測試，該方法引入了DAC的噪聲和諧波，因此會影響ADC性能指標；數字方法主要有直方圖法、正弦波擬合法和FFT法等，直方圖法測試ADC的等效輸入噪聲等性能參數，正弦波擬合法對ADC的動態性能給出總體描述，FFT方法測試ADC動態性能參數。直方圖法和正弦波擬合法引入了信號源的噪聲和諧波等外圍電路干擾，并且測試的性能參數單一，相比之下，FFT方法可以抑制甚至消除外圍電路影響，獲得的動態性能參數也較多。重點討論如何采用FFT方法對ADC的ENOB進行測試。

可以看到，相干采樣對信號源的頻率分辨率和穩定性要求很高。在實際操作時，信號源無法滿足條件，需要對采樣數據進行加窗函數處理以減少頻譜泄漏。
加窗函數時，窗函數的選擇非常重要。理想的窗函數是主瓣寬度盡量小、過渡帶盡量陡，以使頻點能量更加集中。應用較多的窗函數有矩形窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗等。圖1給出了相干采樣圖形和非相干采樣圖形加窗函數后的功率譜密度。對于相干采樣，能量都集中在一個頻率點上，平均噪底低；對于非相干采樣，出現了頻譜泄漏現象，平均噪底被抬高，經過加窗函數處理后，其平均噪底被壓低，能量分布得到集中，但是能量依然不如相干采樣集中。在測試ADC動態性能參數時，選擇一個合適的窗函數很難，不同的窗函數導致測試結果也不一樣。

3 使用FFT測試ADS5400
在對ADC的ENOB進行測試時，會引入一定量的噪聲和諧波，主要分為兩類，一類是ADC自身的噪聲和諧波，這是ADC的固有特性；另一類是外圍電路引入的噪聲和諧波，這些外圍設備包括信號源、時鐘源等。測試其動態性能參數時，需要抑制或消除外圍電路引入的噪聲和諧波。本文采用了參考文獻[8]提到的ENOB測試方法，利用式(1)得到ADC的ENOB。該方法可以有效抑制信號源的干擾，實現了對ADC的ENOB的客觀測量[8-9]。

采用上述步驟對TI公司的ADS5400進行測量，測量平臺如圖2所示。ADS5400是一款高速高分辨率ADC，采樣率范圍100 MS/s～1 000 MS/s，分辨率為12 bit。

最終測得，在輸入信號頻率為1.123 MHz、輸入幅度滿量程時，ADS5400的SINAD=56.66 dB，有效位ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。對比ADS5400的Datasheet給出的ENOB典型值ENOB=9.34 bit(fin=125 MHz)可以發現，改進的FFT方法很好地抑制了信號源以及其他外圍電路的干擾，基本實現了對ADC的ENOB的準確測量。
對ADC動態性能參數進行測試時，要注意抑制或消除ADC自身及外圍電路的噪聲和諧波引入的干擾。

此種改進的FFT方法用于高速高分辨率ADC的動態性能參數測試，注意到FFT分析采樣數據時的頻譜泄漏問題，給出了相干采樣和加窗函數等解決方案。采用改進的FFT方法對TI公司的ADS5400進行測試，在采樣率為400 MS/s的情況下，獲得了ADS5400的ENOB=9.12 bit(fin=1.123 MHz)。同時，驗證了使用FFT方法測量高速高分辨率ADC的有效位的可行性，該方法可以廣泛應用在ADC的動態性能參數測試中。

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