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A


2009年 2月 第 29卷 第 1期

宇航计测技术
Journal of Astronautic M etro lo gy andM easurem ent
中图分类号: TN 79+ 2

F ebruary , 2009 . V o . 29, N o 1 l . 文献标识码: A

文章编号

: 1000- 7202( 2009) 01- 0069- 03

A /D和 D /A转换特性参数测试方法
孟庆伟
( 北京振兴计量测试研究所, 北京 100074) 摘 要
简要介绍了 A /D、 /A 转换器的主要测试参数, 着重讨论转换特性 参数的测 试方法及其 在混合集 D A /D、 /A 转换器 D 转换特性参数 测试系统 测试方法

成电路测试系统上的实 现; 同时还介绍了 A /D、 /A 转换器的一些其他测试方法。 D

关键词

Test Technology of Conversion Param eters of A /D and D /A Converters
MENG Q in g- w ei
( Be ijing Zhenx ing Institu te ofM etro logy and M easure ent Be ijing 100074) m ,

Abstract

Introduces th e m a in test para eters o f A /D and D /A converters D iscusses th e test m .

m ethod of conversion param eters and th e rea lizat io n based on the m ixed IC test syste in deta i. Intro m l duces other test m ethod o f A /D and D /A converters as w el. l K ey w ords A /D and D /A Converter Conversio n param eter T est system T est m ethod

1 引



2

A /D 和 D /A 转 换器 的转换 特性 [ 1] 参数
[ 2]

随着信号处理技术、 数据采集技术和微电子技 术的飞速发展, 作为信 号转换电路的 A /D 和 D /A 转换器越来越受到重视, 被广泛应用于军事、 民用 领域的电子系统中, 从而也推动了 A /D 和 D /A 转 换器测试技术的发展。 A /D和 D /A转换器的参数包括静态参数和动态 参数。静态参数主要有失调 (零点 )误差、 增益误差、 精 度、 线性误差、 微分线性误差、 电源电压灵敏度、 功耗 等; 动态参数主要有建立时间 (转换时间 )、 信噪比、 总 谐波失真、 信号对噪声和失真比、 互调失真、 无寄生动 态范围、 有效位数等。A /D和 D /A转换器的静态参数 反映了器件的转换特性, 通常为使用者所关注, 当用于 通讯或视频信号采集时, 动态参数则变得尤为重要。
收稿日期: 2008 - 07- 23

2 1 D /A转换器的转换特性参数 . D /A转换器的转换特性如图 1所示 , 参数包 括: 失调误差 E O 模拟输出电压的实际起始值与理 想起始值之偏差; 增益误差 EG 转换特性曲线的实 实际转换特性 际斜率与理想斜率之偏差; 精度 EA

曲线与理想转换特性曲线间的最大偏差; 线性误差 EL 实际转换特性曲线与最佳拟和直线间的最大偏 差; 微分线性误差 EDL 相邻两输入码对应的模拟输 出电压之差的实际值与理想值 1 VLSB 间的最大偏差。 2 2 A /D转换器的转换特性参数 . A /D转换器的转换特性如图 2所示 零点误差 E Z
[ 2]

, 图中:

转换特性曲线从零起第一个变迁点

? 70?

宇航计测技术

2009年

在两点 ( 零点和满量程点 )进行测试, 所以很容易实 现; 2)精度, 此参数实际上涵盖了其他所有转换特 性参数, 是全部转换点的真实值与理想值偏差中的 最大值, 一般不 直接测试, 而是通过测 试其他参数 来体现; 3) 线性 误差和 微分 线性误 差 ( 即 I L 和 N DNL ) , 此两项参数是测试的关键。 线性误差 E L ( I L ) 由式 ( 1)计算得出 N EL = [ Vi
m ax

/VFSR ]

100(% FSR )

( 1)

其中: Vi m ax 测得每一点的电 压与计算最 佳拟和直线两者比较结果的绝对值最大者;
图 1 D /A 转换器转换特性图

VFSR 满量程电压值。 微分线性误差 E DL ( DNL )由式 ( 2) 计算得出 其中: E DL = V m ax /VLSB (LSB ) ( 2) V m ax 测得相邻两点的电压并计算压

差, 压差与理想 1 VLSB 相比较结果的绝对值最大者; VLSB 单位字电压值。 线性误差和微分线性误差的测试具有以 下特 点: 需要在零点 和满量程点之间进行多点测量, 如 一个 12 b it的 ADC 或 DAC, 进行全码测试有 4 096 个点需要测; 参 数需要采取间接测量方式, 即除测 量外还需要运算 ( 测量结果和某个值比较 ) ; 参数的
图 2 A /D 转换器转换特性图

上下限很小, 通常为 1 /2LSB, 甚至更小, 如一个满量 转换特性 实际 程 10 V 的 12 b it ADC 或 DAC, 1LSB ! 2 44 mV, 若 . 是 14或 16位的器件, 要求测量准确度要更高。这 就是 A /D、 /A 转换器测试难度较高的原因。 D 3 2 转换特性 参数测试 在测试 系统上 的具体 实 . [ 3- 5] 现 A /D和 D /A转换器的测试通常在混合集成电 路测试系统上实现, 国内外很多测试设备生产厂家 都有可测试 A /D和 D /A 转换器的自动测试设备, 上述转换特性参数测试的难点在 ATE上得以解决。 ATE 测试 A /D 和 D /A 转 换器通常 采用差 分 法, 即在 ATE内部建立一个高精度基准源, 被测器件 的输出与高精度基准源输出的标准值通过差分放大 器进行比较, 二者的差值经过放大后再通过 ATE 的 精密测量单元测试读出, 读出值除以放大倍数即得标 准值与测量值的差值。高精度基准源的分辨力至少 要高出被测器件 4 bi, 也就是说要测试一个 12 bit的 t ADC或 DAC, 至少需要一个 12 b it的基准源作标准。 下面以德国 SZ公司的 M 3000混合电路测试系统 为例, 介绍 A /D和 D /A转换器测试在 ATE 上的实现, M 3000系统 TA08( ADC /DAC Fam ily T est Adapter) A /D 和 D /A 测试模块的原理框图如图 3所示。 5路源作 为被测器件的电源, 2路源用于失调和增益调节; 24

的实际值与理想值之偏差; 增益误差 EG

曲线的实际斜率与理想斜率之偏差; 精度 E A 线性误差 E L

转换特性曲线与理想转换特性曲线间的最大偏差; 实际转换特性曲线与最佳拟和直线 实际转换特性 间的最大偏差; 微分线性 误差 ED L

曲线的码宽与理想码宽 1 VLSB 间的最大偏差。 以上是 GB 7015- 86(降为 SJ/T 10818- 96) 中 规定的 A /D 和 D /A 转换器的转换 特性参数 及定 义, 国外各 ADC 和 DAC 生产厂家的器件技术资料 ( Datasheet) 中给出的微分非线性 ( DNL ) 和 积分非 线性 ( I L ) 两个参数可完全与国标对应。 N

3 转换特性参数的测试
3 1 转换特性参数测试的关键问题 . A /D和 D /A 转换器的转换特 性参数中, 根据 测试方法不同可以分为以下几种情况: 1) 失调 ( 零 点 ) 误差和增益误差, 分别是零点和满量程的偏差, 由于大多数 A /D、 /A 都具有通过外接电路来调节 D 这两个误差的能力, 此两项参数的技术指标一般不 是很高 ( 几个或十几个 LSB ) , 且这两项参数只需要

第 1期

A /D 和 D /A 转换特性参数测试方法

? 71?

路并行写通道、 16路并行读通道、 3路串行写通道、 3 路串行读通道作为数字通道, 可编程 V I /V I /VTH, H L 通道共享 PMU; 提供 16路模拟开关、* 7矩阵开关; 4 多路电压表、 电流源、 漏电流测量、 时间频率测量组 成参数测量单元; 18 b it精密基准源作为测试基准、 差分放大器提供 1 /10 /100 可编程增益, 以 上资源 组成了一个可测试 14 b it A /D、 /A 的测试硬件资 D 源, 通过软件编程即可完成测试。

较昂贵、 结构复杂, 程序开发难度较大, 对于一些设 计人员来说难以实现。由于当前很多 实验室常备 仪器 (如示波器、 信号源、 波形发生器、 高精度数字 表、 逻辑分析仪等 ) 性能十分优越, 具有极高的精确 度, A /D、 /A 转换 器动、 D 静态 参数 在实验 室的 非 ATE 测试得以实现。此类测试主要依 据现有的仪 器, 构造 A /D、 /A 转换器的一种工作环境, 根据码 D 密度测试和 快速傅立 叶变 换测试 等原理, 实现 对 ADC、 DAC的测试, 并取得良好的效果。 随着芯片集成度越来 越高, SOC ( System On a Chip)出现并得以应 用, 芯片 自测试 B IST ( Bu ilt In Se lf T est) 技术受到重视, A /D、 /A 转换器的 B IST D 技术也随之逐渐发展起来。

5 结束语
图 3 TA08 ADC /DAC测 试模块原理框图

M 3000系统测试 A /D、 /A 的转换特性 误差, D 首先测试失调和增益误差, 将测试结果自动存入内 部变量, 用于校正; 测试 I L 和 DNL 时, 可选择仅测 N 试主要转换点即权值点, 也可以选择所有转换点全 部测试, 两者 各有优缺点: 主要转换 点测试考虑到 器件转换误差通常在转换点最大, 且所有点全部测 试工作量大时间长, 其优点是测试速度快, 缺点是 不够完备; 所有点测试可以完整地测试每一个转换 点, 但往往需 要较长的测试时间, 有 时需要对测试 过程中由于温度影响造成的电压漂移进行补偿。 以上是 M 3000 系统测试 A /D、 /A 的方法, 也 D 是大多数混合电路测试系统测试 A /D、 /A 普遍采 D 用的方法。

主要探讨了 A /D、 /A 转换器转换特性参数的 D 测试技术。由于高速、 高精度 A /D、 /A 转换器的 D 广泛应用, 为器 件测试提出了更高的要求, 同时也 促进了测试技术的发展。
参考文献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] SJ/T 10818- 96 半导体集成非线性电路数字 /模拟转 . 换器和模拟 /数字转换器测试方法的基本原理. 2002 C redence A SL T echnical Symposium. M 3000 T echnical D ocum enta tion SZ T estsystem e G er , , m any 2001. , M ark Burns and G ordon W. R oberts A n Introduction to . M ix ed Signa l IC T est and M easurem ent [ J]. N ew Y ork O x fo rd, O x fo rd U n ive rs ity P ress 2001. , [ 5] I /DN L M easure ents for H igh Speed A nalog to d ig ita l NL m Converters M ax i Co rperation, A pp lication N ote 283, , m Sep , 2000. . [ 6] [ 7] 薛亮. 一 种 A /D 静 态 参 数 和 动 态 参 数 的 测 试 方 法 [ J] . 仪器仪表学报. 2004, 25( 4). DAC J L H uang C. K. O ng and K. T. Cheng A B IST . . , , , Scheme for O n ch ip A DC and T esting D esign, A uto a , m tion and T est in Europe 2000: 216- 220. . 作者简 介: 孟庆伟 ( 1978- )男, 工程师, 主要研 究领域: 集成电路测试。 通信 地 址: 北 京 市 7200 信 箱 21 分 箱 ( 100074) 电话: 010- 68375943 E m ai:l m - q- w2006@ sina com .

4 A /D 和 D /A转换器的其他测试方 法
[ 6 7] ,

A /D、 /A 转换器测 试需要处理的 数据较多, 传统 D ATE 测试采用的方法往往需要大量的时间, 效率较 低。近年来, DSP技术飞速发展并逐渐应用于测试 行业, DSP 的强大功能使得取样数据的后期处理工 作变得更加 快速便捷。应用 DSP 技术, 通过直 方 图、 动态传递函数法、 法等对 A /D、 /A 转换器 FFT D 进行转换特性参数、 动态参数测试的测试, 效果明 显, 被一些器件生产和测试单位所采用。 使用 ATE 测试 A /D、 /A 转换器具有 测试参 D 数完备、 测试 结果准确的特点, 但测 试设备价格比


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