CN105471431A - 一种测试模数转换器差分线性误差和积分线性误差的方法 - Google Patents

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许伟达
徐导进
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    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
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Abstract

本发明涉及集成电路模数转换器ADC测试方法，在不使用高纯度或高精度的激励信号源的情况下却能精确测试模数转换器ADC差分线性误差DNL积分线性误差INL数学模型及计算方法和性能的测试电路模型。本发明要解决的技术问题是低精度正弦波信号源，其各谐波相位均匀分布，符合实际应用中产生的低精度正弦信号，由于各谐波相位均匀分布，意味被测ADC可以激励信号任意时刻开始，让低精度正弦激励信号通过简单分压电路，利用被测ADC的电平转换，建立分压前后的激励信号之间的联系，从而获得精确估出激励信号源的参数，进一步估出高精度和高精确度的被测ADC特性参数方法。使得使用一般低精度信号去精确测量ADC静态参数成为可能。

Description

一种测试模数转换器差分线性误差和积分线性误差的方法
技术领域
本发明涉及集成电路模数转换器ADC测试方法，特别涉及一种在不使用高纯度或高精度的激励信号源的情况下，精确测试模数转换器ADC的差分线性误差DNL和积分线性误差INL的测试方法。
背景技术
测试模数转换器ADC是最具有挑战性的任务之一，而模数转换器ADC的差分线性误差DNL和积分线性误差INL是用来描述模数转换器ADC静态特性中每一个转换编码正确性的参数，在各个应用领域中都有非常重要的作用。过长测试时间和昂贵的测试仪器使得测试高精度ADC的静态特性成为一项难度大、成本高的工作。
使用线性信号作为测试输入，可以降低测试复杂性，减少测试时间，但线性信号不易产生，难以重复，现有方法手段无法针对线性信号进行评价。统计方法用于测试静态参数能够大大提高测试精确性，但需要统计大量的样本点，测试效率低。正弦波频谱法，主要用于分析模数转换器ADC的动态参数，对静态参数进行频谱估计方法，跟以上二种方法一样需要高精度正弦波作为激励信号，通常测试信号的频谱纯度必须高于被测模数转换器ADC频谱10倍（3~4bits）。
发明内容
本发明要解决的技术问题是低精度正弦波信号源，其各谐波相位均匀分布，符合实际应用中产生的低精度正弦信号，由于各谐波相位均匀分布，意味着被测模数转换器ADC可以激励信号任意时刻开始，让低精度正弦激励信号通过简单分压电路，利用被测模数转换器ADC的电平转换，建立分压前后的激励信号之间的联系，从而获得精确估出激励信号源的参数，进一步估出高精确度的被测ADC特性参数方法。使得使用一般低精度信号去精确测量模数转换器ADC静态参数成为可能。
本发明采用的方法与现有技术相比，其优点是：用一般低精度信号去精确测量模数转换器ADC静态参数，解决了传统测试需要高精度正弦波或高线性度的斜波信号作为激励信号，通常测试信号的频谱纯度必须高于被测模数转换器ADC频谱10倍（3~4bits）。
附图说明
图1是本发明的测试模数转换器ADC静态参数电路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示测试模数转换器ADC静态参数的电路示意图。
静态参数：
理想模数转换器ADC的转换特性是线性，即转换码的模拟输入与数字输出之间关系是线性，考虑实际应用中模数转换器ADC转换特性不可避免存在非线性。
差分线性误差DNL表示模数转换器中数字值变化一位时模拟值变化的差异。数学表达式：
DNL（i）=H（i）/Hideal（i）-1
其中，H（i）表示第i个码实际转换长度；Hideal（i）表示第i个码理想转换长度
积分线性误差INL表示模数转换器每个电平转换与理想状态差异，即实际曲线与理想线性转换曲线的偏差。数学表达式：
i=1,…,n-1；j=0,…,i
激励信号（必须大于模数转换器ADC电压转换范围）为：
i=1,…,n-1
其中，，为频率；A、B为不同波形系数，Ai和Bi为低精度正弦信号源产生的谐波。
分压后的激励信号为：
X1（t）=K*X（t）
其中，K为分压系数。
测试过程如下：
经过控制开关，分压前后激励信号通过模数转换器ADC采样，分别获得Y（n），Y1（n）。
利用模数转换器ADC静态参数直方图测试原理进行统计，输出Y（n）和Y1（n）中每个码出现的次数（只统计上升或下降出现的码，非全部）。假设码位M出现的次数Hm，则从码位M-1到码位M的转换时间的数学表达式为：
x=0,…,M；y=0,…,N-1
码位M-1到码位M的转换电平为：
i=2,…,G
其中，G为输入谐波数。
当分压电路的X1（t）进行激励，此时码位M出现的统计数Hm,1，转换时间tM,1，从码位M-1转换到码位M电平为：
i=2,…,G
要求低精度正弦信号源产生谐波Ai，Bi的数量级小于10-3，即全谐波扭曲THD小于-40dB，这样的信号源市场非常普遍。可以假设TM,1转换电平与输入信号成正比，并将产生误差w（较小），由于两个信号通过的是相同模数转换器ADC，则在M码位转换电平Tm，TM,1相同。即：
进一步推导得出：
其中，K1为已知，通过最小二乘法估计出Ai、Bi和w，求得Tm。
计算：
INL（M）=（Tm-T0）*（N-2）/（TN-2-T0）-M
DNL（M）=INL（M）-INL（M-1）。

Claims (4)

1.一种测试模数转换器差分线性误差和积分线性误差的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：分别将激励信号和分压后的激励信号通过模数转换器ADC进行采样，得到采样后的数据Y（n）和Y1（n）；
所述激励信号为：
i=1,…,n-1
其中，，为频率；A、B为不同波形系数；Ai和Bi为低精度正弦信号源产生的谐波；
所述分压后的激励信号为：
X1（t）=K*X（t）
其中，K为分压系数；
步骤二：利用模数转换器ADC静态参数直方图测试原理进行统计，输出Y（n）和Y1（n）中每个码出现的次数；
码位M出现的次数为Hm，则从码位M-1到码位M的转换时间的数学表达式为：
x=0,…,M；y=0,…,N-1
码位M-1到码位M的转换电平为：
i=2,…,G
其中，G为输入谐波数；
当分压电路的X1（t）进行激励，此时码位M出现的次数Hm,1，转换时间tM,1，从码位M-1转换到码位M电平为：
i=2,…,G
其中，Ai和Bi为低精度正弦信号源产生的谐波；
步骤三：由于两个信号通过的是相同模数转换器ADC，误差w太小可忽略，则在M码位转换电平Tm，TM,1相同；即：
其中，K1为已知，通过最小二乘法估计出Ai、Bi和w，求得Tm；
计算可得：
INL（M）=（Tm-T0）*（N-2）/（TN-2-T0）-M
DNL（M）=INL（M）-INL（M-1）。
2.根据权利要求1所述的一种测试模数转换器差分线性误差和积分线性误差的方法，其特征在于，所述激励信号必须大于模数转换器ADC电压转换范围。
3.根据权利要求1所述的一种测试模数转换器差分线性误差和积分线性误差的方法，其特征在于，利用所述模数转换器ADC静态参数直方图测试原理进行统计时输出的Y（n）和Y1（n）中每个码出现的次数，只统计上升或下降出现的码。
4.根据权利要求1所述的一种测试模数转换器差分线性误差和积分线性误差的方法，其特征在于，所述谐波Ai，Bi的数量级小于10-3，即全谐波扭曲THD小于-40dB。
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