CN102723950A - 一种模数转换器非线性参数测试适配器及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模数转换器非线性参数测试适配器，包括：通用测试母板和专用测试子板；本发明还公开了一种模数转换器非线性参数测试方法包括以下步骤：建立斜坡发生函数；向被测模数转换器输入斜坡模拟电压；捕获被测模数转换器的数字输出信号；统计数字输出信号中的总采样点数和各阶代码点数；计算代码平均出现次数；计算差分非线性参数和积分非线性参数；本发明公开的一种模数转换器非线性参数测试适配器及测试方法，通过利用线性斜坡直方图和模数转换器的自然统计特性准确测量出高速高精度模数转换器的差分非线性和积分非线性参数，该测试方法较常规方法精度更高，且易于操作，并能在一定程度上减小测量误差的不准确度。

Description

一种模数转换器非线性参数测试适配器及测试方法

技术领域

本发明涉及集成电路测试技术领域，特别是指一种模数转换器非线性参数测试适配器及测试方法。

背景技术

目前，高速高精度模数转换器（即ADC）的非线性参数测试方法主要有：步长搜索方法、二元搜索方法、伺服方法以及正弦直方图方法。但是，利用步长搜索和二元搜索来找出模数转换器的代码边沿，从而计算出模数转换器的非线性参数的方法，对于低速、低精度模数转换器来说，这种方法是可以接受的；然而对于高速高精度模数转换器，每次迭代都要进行几十甚至上百次的采样才能完成一个代码边沿，这样的测试时间太长，不能满足批量测试的需求。而伺服方法虽然通过硬件电路提高了测试速度，但还是不够快速，并且在方法实现上，也较不容易实现。同时，这几种方法对仪器设备的参考直流电源精度要求较高，非常不适合高速高精度模数转换器测试。而正弦直方图方法主要用于测量模数转换器的动态性能参数，并且其存在输出代码分布不均匀和实现起来比较复杂等问题，不太适用于静态非线性参数的测试。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种模数转换器非线性参数测试适配器及测试方法，能够快速并准确测量出高速高精度模数转换器的非线性参数。

基于上述目的本发明提供的一种模数转换器非线性参数测试适配器，包括：通用测试母板和专用测试子板；所述专用测试子板与通用测试母板连接；所述通用测试母板与测试系统连接；被测模数转换器与所述专用测试子板连接，并利用所述专用测试子板通过通用测试母板连接测试系统的数字控制信号、数字信号捕获区、模拟直流电源、斜坡模拟电压。

在一个实施例中，所述的通用测试母板包括数字控制信号接口、数字信号捕获接口、模拟直流电源接口和伸缩探针分别与测试系统的用于提供数字控制信号的引脚、数字信号捕获区、模拟直流电源和斜坡模拟电压连接。

在另一个实施例中，所述专用测试子板通过插针和SMA连接器与所述通用测试母板连接，所述被测模数转换器通过专用插座与所述专用测试子板连接；所述被测模数转换器则通过专用测试子板的插针连接所述测试系统的数字控制信号、数字信号捕获区、模拟直流电源，通过专用测试子板上的SMA连接器连接所述测试系统产生的斜坡模拟电压。

在另一个实施例中，所述测试系统将数字控制信号从所述数字控制信号接口输入到通用测试母板，并经由专用测试子板的插针输入到被测模数转换器，控制其工作；所述测试系统将所述斜坡模拟电压从所述伸缩探针输入到通用测试母板，并经由专用测试子板的SMA连接器输入到被测模数转换器，所述斜坡模拟电压经被测模数转换器转换为数字输出信号后，经由专用测试子板输出到通用测试母板，并经所述数字信号捕获接口输出到测试系统进行所述被测模数转换器的数字输出信号向量的捕捉。

本发明还提供了一种利用上述的模数转换器非线性参数测试适配器的模数转换器非线性参数测试方法，包括以下步骤：

建立斜坡发生函数；

向被测模数转换器输入斜坡模拟电压；

捕获被测模数转换器的数字输出信号；

统计数字输出信号中的总采样点数和各阶代码点数；

计算代码平均出现次数和每个代码宽度；

计算差分非线性参数和积分非线性参数。

在一个实施例中，还包括初始化步骤：

建立数字通道用于捕获所述被测模数转换器的数字输出信号向量。

在另一个实施例中，所述用于捕获向量的数字通道的建立方法包括：根据所需捕获的被测模数转换器的已知参数参考值，运用测试系统中的高速数字系统对测试系统的数字引脚进行定义，定义用于提供数字控制信号的引脚和数字信号捕获区，从而在测试系统中建立数字通道，用于捕获所述被测模数转换器的数字输出信号向量；所述测试系统的用于提供数字控制信号引脚和数字信号捕获区分别与所述通用测试母板的数字控制信号接口和数字信号捕获接口连接。

在另一个实施例中，所述斜坡发生函数的建立方法包括：首先明确输入信号的电压分布，即输入电压值及时间间隔和周期；然后，通过预先用程序在测试系统中建立一个斜坡模拟电压的数组，测试系统根据所定义的数组产生一段斜坡模拟电压的数字化波形，即完成在测试系统中建立斜坡发生函数。

在另一个实施例中，所述的输入被测模数转换器的斜坡模拟电压为测试系统中的波形发生器利用所述数字化波形产生的一段上升或下降的线性斜坡。

在另一个实施例中，所述线性斜坡模拟电压的频率为(5k~100M)/2m×2n(Hz)，其中m,n为整数，m≥3，n为被测模数转换器的位数。

在另一个实施例中，将所述数字输出信号中的噪声成分利用高斯分布分为等概率出现的两部分代码。

在另一个实施例中，所述数字输出信号中的噪声成分的两部分代码分别为对应的输入电压值小于跳变点输入电压值的第一代码和对应的输入电压值大于跳变点输入电压值的第二代码。

在另一个实施例中，在统计各阶代码点数时，其中第一代码归为前一阶代码，第二代码归为后一阶代码。

在另一个实施例中，所述各阶代码的出现次数为：

H(i)表示N位ADC第i阶代码发生的数量。

在另一个实施例中，所述各阶代码的码宽度为：

在另一个实施例中，所述差分非线性参数为：DNL(i)=code width（i）-1，i=1,2......2ⁿ-2。

在另一个实施例中，所述积分非线性参数为：

i=1,2......2ⁿ-2。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种模数转换器非线性参数测试适配器及测试方法，通过利用线性斜坡直方图和模数转换器的自然统计特性准确测量出高速高精度模数转换器的差分非线性和积分非线性参数，该测试方法较常规方法精度更高，且易于操作，并能在一定程度上减小测量误差的不准确度。

附图说明

图1为本发明实施例所使用的测试适配器结构示意图；

图2为本发明实施例所使用的测试适配器的信号连接示意图；

图3为本发明实施例所提供的模数转换器非线性参数测试方法流程图；

图4为本发明实施例理想状态下，被测模数转换器的输入电压与输出代码的线性斜坡直方图；

图5为本发明实施例含有噪声成分状态下，被测模数转换器的输入电压与输出代码的线性斜坡直方图；

图6为本发明实施例中噪声成分的高斯分布曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明所提供一种模数转换器非线性参数测试方法，是基于Catalyst-200开发平台所进行的模数转换器非线性参数测试方法。

Catalyst-200开发平台是一种大规模模拟及混合信号集成电路测试系统，能够对模拟集成电路运算放大器、开关控制器、比较器、驱动/接受器和混合信号集成电路模数/数模转换器等集成电路的静态参数和动态参数进行测试。

本发明所公开的一种模数转换器非线性参数测试适配器，包括：通用测试母板和专用测试子板；所述专用测试子板与通用测试母板连接；所述通用测试母板与测试系统连接；被测模数转换器与所述专用测试子板连接，并利用所述专用测试子板通过通用测试母板连接测试系统的数字控制信号、数字信号捕获区、模拟直流电源、斜坡模拟电压。

参考图1和图2，分别为本发明实施例所使用的测试适配器的结构示意图和信号连接示意图。

所述测试适配器包括了通用测试母板和专用测试子板；所述专用测试子板与通用测试母板连接；所述通用测试母板与测试系统连接；被测模数转换器与所述专用测试子板连接，并利用所述专用测试子板通过通用测试母板连接测试系统的数字控制信号、数字信号捕获区、模拟直流电源、斜坡模拟电压。

所述通用测试母板通过测试头与测试系统连接。所述测试头包括数字控制信号接口、数字信号捕获接口、模拟直流电源接口和伸缩探针，分别与测试系统的用于提供数字控制信号的引脚、数字信号捕获区、模拟直流电源和斜坡模拟电压连接。

所述专用测试子板通过插针和SMA连接器与所述通用测试母板连接，所述被测模数转换器通过专用插座与所述专用测试子板连接；所述被测模数转换器则通过专用测试子板的插针连接所述测试系统的数字控制信号、数字信号捕获区、模拟直流电源，通过专用测试子板的SMA连接器连接所述测试系统产生的斜坡模拟电压。

所述测试系统将数字控制信号从所述数字控制信号接口输入到通用测试母板，并经由专用测试子板的插针输入到被测模数转换器，控制待测模数转换器工作。

所述测试系统将所述斜坡模拟电压从所述伸缩探针输入到通用测试母板，并经由专用测试子板的SMA连接器输入到被测模数转换器，所述斜坡模拟电压经被测模数转换器转换为数字输出信号后，经由专用测试子板输出到通用测试母板，并经所述数字信号捕获接口输出到测试系统进行所述被测模数转换器的数字输出信号向量的捕捉。

参考图3，为本发明实施例所提供的模数转换器非线性参数测试方法流程图，该实施例包括下述步骤：

步骤1：建立数字通道用于捕获所述被测模数转换器的数字输出信号向量；

步骤2：建立斜坡发生函数；

步骤3：向被测模数转换器输入斜坡模拟电压；

步骤4：捕获被测模数转换器的数字输出信号；

步骤5：统计数字输出信号中的总采样点数和各阶代码点数；

步骤6：计算代码平均出现次数和每个码宽度；

步骤7：计算差分非线性参数和积分非线性参数。

所述的步骤1进一步包括：

根据所需捕获的被测模数转换器的已知参数参考值，运用测试系统中的高速数字系统（HSD）对测试系统的数字引脚进行定义，定义用于提供数字控制信号的引脚和数字信号捕获区，从而在测试系统中建立数字通道，用于捕获所述被测模数转换器的数字输出信号向量。

所述测试系统的用于提供数字控制信号引脚和数字信号捕获区则分别与所述通用测试母板的数字控制信号接口和数字信号捕获接口连接。

所述的步骤2进一步包括：

首先明确输入信号的电压分布，即输入电压值及时间间隔和周期；然后，通过预先用程序在测试系统中建立一个斜坡模拟电压的数组，测试系统根据所定义的数组产生一段斜坡模拟电压的数字化波形，即完成在测试系统中建立斜坡发生函数。

所述的步骤3进一步包括：

测试系统根据斜坡发生函数，通过波形发生器将利用程序定义的数组产生的数字化波形转换为模拟波形从而作为驱动源通过SMA向被测模数转换器提供斜坡模拟电压，生成一段上升的线性斜坡模拟电压激励被测模数转换器。

所述的步骤4进一步包括：

测试系统以同等采样率捕获被测模数转换器的数字输出信号。具体的，利用定义好的数字接收信号引脚的捕获频率，然后将模数转换器的数字输出信号捕获到测试系统的缓存中，通过测试程序让测试系统将缓存中的数据再传送到测试程序中指定的数组变量中，从而对数组变量中的数据进行计算得出被测模数转换器的参数值。

参考图4，为本发明实施例理想状态下，被测模数转换器的输入电压与输出代码的线性斜坡直方图。

由于被测模数转换器具有固定的转换速率，在转换时间内被测模数转换器输出保持一定，每个代码采样个数的比例直接决定于这个代码的宽度，因此，图3表示出了假设为理想状态时，每个代码发生的数量分布。

参考图5，为本发明实施例含有噪声成分状态下，被测模数转换器的输入电压与输出代码的线性斜坡直方图。

将被测模数转换器可看作为理想模数转换器和无直流偏置的噪声源组成。

当含噪声输入信号经过被测模数转换器转换后，刚好在相邻两个分辨台阶的中间，并且噪声输出信号没有超过±1/2LSB，那么此时被测模数转换器产生的输出码是相同的。

而当输入信号等于分辨台阶电平，那么就算是很小的噪声输入信号也会导致量化过程随机产生分辨台阶两边的两个码。

但是这个数字输出信号中的噪声成分可以近似看作是高斯分布，因为其累积分布是均匀的。在测试时，输入的直流电平要恰好等于两个码转换时的判决电平，在高斯分布的概率密度函数条件下，其导致被测模数转换器每次测试执行中产生两个码的数量是近似相等的（参考图6）。

将所述数字输出信号中的噪声成分利用高斯分布分为等概率出现的两部分代码，因为在概率分布函数下的区域被平均分成第一代码和第二代码两部分，可认为经被测模数转换器转换后的数字输出信号中的噪声成分有50%概率为第一代码，50%概率为第二代码。

因此，所述步骤5进一步包括：

在用线性斜坡直方图统计数字输出信号中的总采样点数和各阶代码点数时，将在跳变点（即分辨台阶的中间）附近由噪声输入信号引起不确定的数字输出信号中的噪声成分的两部分模数转换器采样码，所述数字输出信号中的噪声成分的两部分代码分别为对应的输入电压值小于跳变点输入电压值的第一代码和对应的输入电压值大于跳变点输入电压值的第二代码；在统计各阶代码点数时，其中第一代码归为前一阶代码，第二代码归为后一阶代码，从而忽略掉噪声成分产生的影响。

参考图5，即本发明实施例含有噪声成分状态下，被测模数转换器的输入电压与输出代码的线性斜坡直方图。图5中，横坐标为输入电压值，纵坐标为输出代码。

所述的步骤6进一步包括：

根据步骤5所统计出捕获到各阶代码的点数，从而计算出码平均出现次数，和每个码宽度，计算方法如下：

用H(i)表示N位ADC第i阶代码发生的数量，去除第一个和最后一个码，计算出码平均出现次数 $H_{\mathrm{Average}}=\frac{1}{2^N-2}\underset{i=1}{\overset{2^N-2}{\mathrm{\Σ}}}H\left(i\right),$ 码宽度 $\mathrm{codewidth}\left(i\right)=\frac{H\left(i\right)}{H_{\mathrm{Average}}},$ 单位是LSB。

以LSB为单位的任意码的宽度或边沿的精确性是与码平均出现的次数成反比，即1/H_Average。例如，若码平均出现的次数为5，那么对码宽度或码边沿的分辨率平均是1/5LSB。

为提高柱状图测试的分辨率和可重复性，要尽可能的减慢输入斜坡的速率，即输入信号步长要足够小。这样能增加码平均出现次数，使每码至少出现16或更多次。

所述的步骤7则进一步包括：

根据步骤6中得出的代码宽度，得出，DNL（差分非线性）端点和代码宽度的关系如下：

DNL(i)=code width（i）-1，i=1,2......2ⁿ-2

而INL（积分非线性）曲线端点用DNL曲线相加计算得到：

${\mathrm{INL}\left(i\right)=}^{\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DNL}\left(k\right)},$ i=1,2......2n-2

如此，即得出模数转换器的非线性参数。

从上述的测试方法可以看出：

利用线性斜坡直方图既可以满足测试精度的要求，又易于操作，不用去计算每个代码边沿的电压；同时，利用模数转换器的统计特性和其测试时的噪声特性，通过对噪声所引起的测量误差做一个简单的处理，能够在一定程度上减小测量误差的不准确度。

总体来说，通过利用线性斜坡直方图和模数转换器的自然统计特性准确测量出高速高精度模数转换器的差分非线性和积分非线性参数，该测试方法较常规方法精度更高，且易于操作，并能在一定程度上减小测量误差的不准确度。

需要特别指出的是，本发明所基于的Catalyst-200测试系统的精密信号源的分辨率有24bit，可以产生15MHz以下线性度很好的斜坡，对于精度不是特别高（位数<24）的模数转换器测试，完全满足测试精度要求。

另外，上述实施例中的被测模数转换器激励源为上升线性斜坡，当然，下降线性斜坡同样可以用于激励被测模数转换器，其效果与上升线性斜坡相同。

需要注意的是，所述线性斜坡电压的上升或下降速率要设置的足够慢，使被测模数转换器的每个码被多次转换；而根据测试系统数字信号的频率范围、被测模数转换器的位数和要求的测试精度，斜坡模拟电压的上升或下降频率为:

(5k~100M)/2^m×2ⁿ(Hz)，其中m,n为整数，m≥3，n为被测模数转换器的位数。

另外，当所述伸缩探针采用的是名为POGO pin的精密连接器时，其与catalyst测试系统的配合度最好。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种模数转换器非线性参数测试适配器，其特征在于，包括：通用测试母板和专用测试子板；所述专用测试子板与通用测试母板连接；所述通用测试母板与测试系统连接；被测模数转换器与所述专用测试子板连接，并利用所述专用测试子板通过通用测试母板连接测试系统的数字控制信号、数字信号捕获区、模拟直流电源、斜坡模拟电压。

2.根据权利要求1所述的模数转换器非线性参数测试适配器，其特征在于，所述的通用测试母板包括数字控制信号接口、数字信号捕获接口、模拟直流电源接口和伸缩探针，分别与测试系统的用于提供数字控制信号的引脚、数字信号捕获区、模拟直流电源和斜坡模拟电压连接。

3.根据权利要求2所述的模数转换器非线性参数测试适配器，其特征在于，所述专用测试子板通过插针和SMA连接器与所述通用测试母板连接，所述被测模数转换器通过专用插座与所述专用测试子板连接；所述被测模数转换器则通过测试子板的插针连接所述测试系统的数字控制信号、数字信号捕获区、模拟直流电源，通过测试子板上的SMA连接器连接所述测试系统产生的斜坡模拟电压。

4.根据权利要求3所述的模数转换器非线性参数测试适配器，其特征在于，所述测试系统将数字控制信号从所述数字控制信号接口输入到通用测试母板，并经由专用测试子板的插针输入到被测模数转换器，控制其工作；所述测试系统将所述斜坡模拟电压从所述伸缩探针输入到通用测试母板，并经由专用测试子板的SMA连接器输入到被测模数转换器，所述斜坡模拟电压经被测模数转换器转换为数字输出信号后，经由专用测试子板输出到通用测试母板，并经所述数字信号捕获接口输出到测试系统进行所述被测模数转换器的数字输出信号向量的捕捉。

5.一种利用权利要求1-4任意一项所述的模数转换器非线性参数测试适配器的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立斜坡发生函数；

向被测模数转换器输入斜坡模拟电压；

捕获被测模数转换器的数字输出信号；

统计数字输出信号中的总采样点数和各阶代码点数；

计算代码平均出现次数和每个代码宽度；

计算差分非线性参数和积分非线性参数。

6.根据权利要求5所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，其还包括初始化步骤：

建立数字通道用于捕获所述被测模数转换器的数字输出信号向量。

7.根据权利要求6所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述用于捕获向量的数字通道的建立方法包括：根据所需捕获的被测模数转换器的已知参数参考值，运用测试系统中的高速数字系统对测试系统的数字引脚进行定义，定义用于提供数字控制信号的引脚和数字信号捕获区，从而在测试系统中建立数字通道，用于捕获所述被测模数转换器的数字输出信号向量；所述测试系统的用于提供数字控制信号引脚和数字信号捕获区分别与所述通用测试母板的数字控制信号接口和数字信号捕获接口连接。

8.根据权利要求5所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述斜坡发生函数的建立方法包括：首先明确输入信号的电压分布，即输入电压值及时间间隔和周期；然后，通过预先用程序在测试系统中建立一个斜坡模拟电压的数组，测试系统根据所定义的数组产生一段斜坡模拟电压的数字化波形，即完成在测试系统中建立斜坡发生函数。

9.根据权利要求8所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述的输入被测模数转换器的斜坡模拟电压为测试系统中的波形发生器利用所述数字化波形产生的一段上升或下降的线性斜坡。

10.根据权利要求9所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述线性斜坡模拟电压的频率为(5k~100M)/2m×2n(Hz)，其中m,n为整数，m≥3，n为被测模数转换器的位数。

11.根据权利要求5-10任意一项所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，将所述数字输出信号中的噪声成分利用高斯分布分为等概率出现的两部分代码。

12.根据权利要求11所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述数字输出信号中的噪声成分的两部分代码分别为对应的输入电压值小于跳变点输入电压值的第一代码和对应的输入电压值大于跳变点输入电压值的第二代码。

13.根据权利要求12所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，在统计各阶代码点数时，其中第一代码归为前一阶代码，第二代码归为后一阶代码。

14.根据权利要求13所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述各阶代码的出现次数为：

H(i)表示N位ADC第i阶代码发生的数量。

15.根据权利要求14所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述各阶代码的码宽度为：

16.根据权利要求15所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述差分非线性参数为：DNL(i)=code width（i）-1，i=1,2......2ⁿ-2。

17.根据权利要求16所述的模数转换器非线性参数测试方法，其特征在于，所述积分非线性参数为：

i=1,2......2ⁿ-2。

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