本應(yīng)用筆記介紹了使用基于PC的數(shù)字I/O板來表征模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的技術(shù)。本文將研究靜態(tài)直流參數(shù)，如積分非線性（INL）、差分非線性（DNL）、增益和失調(diào)誤差，以及噪聲、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、通道間耦合和匹配，以及電源電壓依賴性。

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）越來越復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中分析和表征這些器件變得越來越困難。提高ADC檢定徹底性的一種方法是使用PC自動執(zhí)行臺架測試。這種方法有很多優(yōu)點(diǎn)，只需很少的額外努力。使用自動化代替手動測試的最重要好處是在表征過程的早期獲得更完整的轉(zhuǎn)換器性能視圖。此外，一旦系統(tǒng)就位，設(shè)計(jì)矢量來調(diào)試甚至復(fù)雜的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤通常很簡單。

PC可用于IC的自動檢定方法有很多種。它們的范圍從使用簡單的并行端口接口來操作控制位，到閉環(huán)伺服系統(tǒng)來全面表征設(shè)備性能的各個(gè)方面。以下討論將主要集中在表征MAX1115-MAX1119 8位逐次逼近寄存器（SAR）ADC的方法。這種方法足夠精確，可用于表征分辨率高達(dá)12位的類似轉(zhuǎn)換器。

系統(tǒng)設(shè)置

為了表征MAX1115，使用了NI公司的高速數(shù)字I/O卡（PCI-DIO-32HS）和定制表征板。PCI-DIO-32HS 32 通道數(shù)字 I/O 板可用于以 20MHz 的速率將矢量從定制表征板流入（或傳出）PC 硬盤。表征板的原理圖如下所示。

圖1.

原理圖左側(cè)的541個(gè)MAX16為27位串行DAC。它們用于提供被測器件 （DUT） VDD 電源電壓/基準(zhǔn)電壓和兩個(gè)輸入信號。此外，還提供一個(gè)輸入電平轉(zhuǎn)換器電源，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入DUT的數(shù)字輸入電壓擺幅和輸入信號DAC基準(zhǔn)電壓。DAC右側(cè)的器件是OP27緩沖放大器。OP10是一款高精度運(yùn)算放大器，可為每個(gè)DAC提供高達(dá)16mA的驅(qū)動電流，DAC的6341位性能僅略有下降。原理圖頂部的電路是輸入電源調(diào)節(jié)和調(diào)理，MAX4是096.32V精密電壓基準(zhǔn)。原理圖右側(cè)是串行至并行移位寄存器、串聯(lián)端接器和PCI-DIO-<>HS接口連接。

靜態(tài)測試

通過靜態(tài)測試，您可以控制電源和對DUT的參考，將各種測試信號運(yùn)行到DUT中，并輕松捕獲設(shè)備對這些信號的響應(yīng)。在MAX1115中，所有直流精度規(guī)格的驗(yàn)證精度都高于在大批量生產(chǎn)測試環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的精度。這是通過使用DUT在每個(gè)DAC代碼上多次測量ADC輸入（實(shí)際上是DAC輸出）來實(shí)現(xiàn)的。利用這些數(shù)據(jù)，不僅可以確定積分非線性（INL）、微分非線性（DNL）、增益和失調(diào)誤差，還可以確定噪聲、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、通道間耦合和匹配，以及每個(gè)參數(shù)的電源電壓依賴性。在幾秒鐘內(nèi)獲得了一套完整的直流規(guī)格，允許在將數(shù)據(jù)與從生產(chǎn)測試設(shè)置中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較之前收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因此，可以更快地識別和解決實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和測試臺數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)問題。

動態(tài)測試

為MAX1115開發(fā)的測試系統(tǒng)不是用來驗(yàn)證動態(tài)參數(shù)的，盡管這種系統(tǒng)可以擴(kuò)展為進(jìn)行動態(tài)測試。為此，可以使用更高速的并行DAC來生成輸入信號。也可以通過循環(huán)先進(jìn)先出（FIFO）存儲器更新DAC，以產(chǎn)生正弦波（或其他重復(fù)波形），在測量過程中從PC發(fā)出的信號最少。另一種選擇是使用外部信號發(fā)生器生成測試信號。

這種類型的測試系統(tǒng)的一個(gè)很好的特點(diǎn)是很容易獲得大量的數(shù)據(jù)樣本。通過動態(tài)測試，此功能允許相對容易地獲得精細(xì)的頻率分辨率和更多的輸入測試頻率，從而增加人們對DUT特性的信心。

準(zhǔn)確性

上述方法是一種開環(huán)表征方案，其精度足以擴(kuò)展到10位系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快。表征板的固有精度和分辨率（相對于DUT）允許相對準(zhǔn)確地確定每個(gè)ADC代碼中心和邊界。

對于 更 高精度 的 轉(zhuǎn)換 器 （12 位 或 更多）， 可能 需要 設(shè)計(jì) 一個(gè) 閉 環(huán) 測試 系統(tǒng)。這可以按照與上述相同的方式構(gòu)建，但增加了一個(gè)高精度的數(shù)字電壓表。數(shù)字電壓表可以通過通用接口板 （GPIB） 卡、PC 的串行或并行端口或以太網(wǎng)連接連接到同一臺測試電腦。PC用于對表征DAC進(jìn)行步進(jìn)，并查找DUT中的每個(gè)代碼邊界。一旦確定了每個(gè)代碼邊界（以DAC代碼為單位），PC就會使用高精度DVM測量DAC電壓。對于非常高分辨率的DUT可以采用多個(gè)DAC（分辨率相互縮放）來提高DUT碼邊界測量的精度。

速度

雖然上面概述的開環(huán)測試系統(tǒng)用于相對較慢的轉(zhuǎn)換器（100ksps），但它直接適用于高速ADC。通過增加板載邏輯（甚至可能是現(xiàn)場可編程門陣列）和板載時(shí)鐘，可以使用National PCI-DIO-16HS接口板提供從20位ADC（串行或并行）以32Msps捕獲數(shù)據(jù)所需的信號。這將需要一個(gè)高速并行測試DAC和一個(gè)圓形FIFO存儲器來加載重復(fù)的測試波形，如上所述。

設(shè)計(jì)錯(cuò)誤識別

在需要識別和糾正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的情況下，這種快速的工作臺表征允許受控的迭代評估循環(huán)（即假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果的測量和評估，導(dǎo)致進(jìn)一步的假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等），從而更快地識別設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。可以想象，與更手動的方法相比，即使是復(fù)雜的錯(cuò)誤也可以在幾天內(nèi)識別出來，而不是幾周或幾個(gè)月。

基于 PC 的表征系統(tǒng)存在的問題

通常，基于PC的表征系統(tǒng)最重要的問題是信號完整性和常見的電源噪聲。一旦理解了這些問題，這些問題就可以得到緩解，在某些情況下可以完全消除。

信號完整性是布線系統(tǒng)中接地太少和寄生效應(yīng)過高的結(jié)果。結(jié)果是電纜兩端的波形出現(xiàn)較大的過沖和下沖。有許多方法可用于降低此問題的嚴(yán)重程度。最簡單的方法之一是使用串聯(lián)端接。在該方案中，串聯(lián)電阻（RT） 大致等于特性阻抗 （Z0） 的互連電纜（減去源驅(qū)動器阻抗，ZD） 放置在圖 2 所示電纜的源端。電纜的寄生電容實(shí)際上會將電路變成一階主導(dǎo)的系統(tǒng)，在不匹配的接收器端的上升時(shí)間稍慢。采用這種方案，匹配不良的接收器將快速轉(zhuǎn)換邊沿反射回電路的源側(cè)，并在那里被吸收，因?yàn)樗亩私诱_。

圖2.

這種方法適用于從檢定板傳輸?shù)絇C接口卡的信號，因?yàn)槎私与娮杩梢苑胖迷跈z定板的源端。但是，當(dāng)信號從PC接口卡傳輸?shù)奖碚靼鍟r(shí)，不可能在PC接口卡上添加這些終端電阻。因此，通常需要通過使用更大的串聯(lián)端接電阻并在端接電阻之后增加更多的輸入電容來進(jìn)行過度補(bǔ)償，以獲得可接受的結(jié)果（圖 2）。添加可以更改DIP端接電阻陣列的插座，可以根據(jù)電纜長度和所使用的驅(qū)動器/接收器組合改變串聯(lián)端接電阻的值。

在表征板上改善接收器端信號完整性的另一種方法是使用分流端接。在該方案中，如圖3所示，接口板的快速邊沿被適當(dāng)匹配的分流端接吸收。由于這種方法降低了信號擺幅（接口卡中的驅(qū)動器阻抗很大），因此必須使用終端電源將輸入信號電平調(diào)整到輸入接收器可接受的邏輯電平。這種信號擺幅損失、持續(xù)功耗和電纜接地電流增加都是這種方法的顯著缺點(diǎn)。交流并聯(lián)端接，即用電容器代替端接電源，解決了這些問題，但在電平轉(zhuǎn)換期間會導(dǎo)致眾所周知的亞穩(wěn)態(tài)困境，因此不建議使用。

圖3.

常見的電源噪聲是第二個(gè)主要問題，這是因?yàn)樵肼昉C接地通過檢定板將噪聲電流注入檢定工作臺電源和示波器接地。這種注入的噪聲電流會在表征板地上產(chǎn)生顯著的壓降（幾個(gè)LSB），這些壓降可以耦合到轉(zhuǎn)換器的輸入端。

這個(gè)問題的一個(gè)解決方案是在表征板中使用多個(gè)連續(xù)接地層（通過多個(gè)過孔連接），以降低其阻抗，從而降低壓降。隔離接地層往往不太有效，因?yàn)楦綦x接地層之間不可避免地存在容性耦合，而且從PC注入的典型噪聲電流頻率很高，從而有效地使隔離接地層短路。增加用于為表征板供電的工作臺電源的隔離（與接地）也有幫助。建議在從DUT收集數(shù)據(jù)時(shí)移除示波器探頭（包括接地），以消除從PC到示波器探頭接地的接地電流。另一種解決方案是在表征板上進(jìn)行本地功率調(diào)節(jié)和調(diào)理。在調(diào)試檢定系統(tǒng)時(shí)，可能需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以隔離和消除共模噪聲的原因。

結(jié)論

MAX1115是一款采用低成本PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的8位ADC，其基準(zhǔn)表征已被證明是有效和準(zhǔn)確的。已經(jīng)指出了這種工作臺表征方法的許多優(yōu)點(diǎn)，包括易于與復(fù)雜器件接口，更完整和更快地表征靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)，改進(jìn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤識別的能力以及更快地解決相關(guān)問題。雖然方法大綱直接適用于分辨率高達(dá)12位，速度高達(dá)約500ksps的ADC，但已經(jīng)討論了在分辨率和速度方面擴(kuò)展該測試方法的方法。

審核編輯：郭婷