CN105897267A - 一种模拟数字转换器单粒子效应测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟数字转换器单粒子效应测试方法及系统，根据ADC器件功能，通过求取4个可用于评价ADC器件抗单粒子性能的参数，分别为噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面。该方法既考虑了器件抗辐射性能考虑时所需的保守性，又考虑了实际应用中的需求，为ADC器件的抗单粒子性能考核提出了一种切实可行的测试方法；其测试板主要由主控制电路、波形发生器、DUT参考源、DUT测试电路、功能监测电路、上位机接口电路及输入输出接口电路组成；不但可统计被测ADC器件噪声误差及偏移误差的出现次数，还可以返回效应出现时具体的码值信息。这些详细的效应数据信息，可为ADC器件单粒子效应敏感物理位置的分析及抗单粒子性能加固提供数据支持。

Description

一种模拟数字转换器单粒子效应测试方法及系统

技术领域

本发明涉及一种模拟数字转换器(ADC)的测试系统及方法，尤其涉及一种ADC器件单粒子效应测试系统及方法。

背景技术

近几年，随着我国军工事业及航天事业的发展，以数模转换器(Analog todigital converter,ADC)为代表的模拟电路器件在武器装备及空间卫星上也应用的越来越多。而与此严重不符的是我国还没有成熟的ADC器件的抗辐射性能考核试验方法，特别是ADC器件的单粒子效应研究仍处于起步阶段。因此深入研究ADC器件的单粒子效应机理，建立单粒子效应测试系统及方法，获取ADC器件的单粒子效应截面，为准确评价ADC器件的抗单粒子效应性能提供技术支撑。

目前国内对数字集成电路(如SRAM、FPGA等)的单粒子效应测试方法已经具有了比较成熟的认识，但对ADC、DAC等数模混合集成电路的单粒子效应测试方法研究较少。在ADC中，单粒子效应既会在模拟电路中形成单粒子瞬时扰动，又会在数字电路中形成单粒子翻转，此外ADC器件在辐照实验过程中处于不断的数据转换过程，其内部数字电路中的寄存器或锁在器值处于不断的变化过程，使得两种效应现象均会体现在ADC器件的数据输出接口上，且具有瞬时性，使得ADC的单粒子效应测试方法比单纯数字集成电路的更加复杂，特别是如何表征ADC器件的抗单粒子性能，国内还未形成统一的认识与方法。专利申请号CN201210548033，名称“一种折叠内插式模数转换器件的单粒子效应检测方法”中的将被测模数转换器输出与期望值的不同均认为是单粒子翻转效应，但ADC器件在其转换过程中，本身就存在转换误差，因此该方法无法准确区分器件本身存在的转换误差和单粒子效应。另外，ADC器件应用时，允许与理论值有一定的误差范围，因此在许多时候，效应所造成的转换并不影响器件的使用，因此使用该方法考核ADC器件抗单粒子性能难以满足实际使用的要求。因此建立一种新型的ADC器件单粒子效应测试方法及测试系统就成为ADC器件单粒子效应地面实验模拟需要解决的一个关键问题。

发明内容

为了解决背景技术所存在的技术问题，本发明在分析ADC器件单粒子效应机理的基础上，提出了一种ADC器件单粒子效应测试方法，并建立了相应的测量系统，为准确评价ADC器件抗单粒子性能提供了测试方法和测量系统。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种ADC器件单粒子效应测试方法，其特殊之处在于：

1)在没有进行辐照的情况下，进行ADC器件的测试，计算被测ADC器件的本征误差截面；

2)在辐照的情况下，进行ADC器件的测试，统计ADC的转换次数、噪声误差出现的次数及偏移误差和闭锁出现的次数；

3)计算单粒子噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面；

所述单粒子噪声误差截面的求取方法为：

${\mathrm{\σ}}_{noise\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{noise\_error\left(rad\right)}-N_{noise\_error\left(pre\right)}}{N\·Flux}---\left(1\right);$

其中N_{noise_error(rad)}，N_{noise_error(pre)}为辐照前后输出码值处于噪声误差范围(理想码值±X·LSB)之内的码值个数，N为总的转换次数；

Flux为辐照过程中的重离子总注量；

σ_{noise_error}(A_in,f)表示当输入电压为A_in，转换频率为f时被测ADC器件的噪声误差截面，所代表的物理意义是单个粒子轰击在被测ADC器件内时产生噪声误差的机率，实际也是单粒子在单个转换周期内产生噪声误差的机率，其单位为cm²/device；

当式(1)所得的截面与器件的转换频率是成线性关系时，噪声误差截面表示为：

${\mathrm{\σ}}_{noise\_error}\left(A_{in}\right)=\frac{N_{noise\_error\left(rad\right)}-N_{noise\_error\left(pre\right)}}{N\·Flux\·f}---\left(2\right);$

其中f的单位一般用MSPS，此时截面的单位为cm²/MSPS；

偏移误差(Offset Errors)是指实际输出码值与理论输出码值之间的差值较大，即|C_fact-C_ideal|＞X时，偏移误差是由单粒子效应直接导致的，只有在单粒子效应实验时才有可能出现，当偏移误差出现时，表明ADC器件具有明显的单粒子效应，其输出码值与理想输出值有很大的偏差；

偏移误差的截面求取方法为：

${\mathrm{\σ}}_{offset\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{offset\_error}}{N\·Flux}---\left(3\right);$

其中，N_{ofset_error}为辐照为前后输出码值处于噪声误差范围之外的码值个数；同噪声误差的截面表示方法一样，偏移误差表示为：

${\mathrm{\σ}}_{offset\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{offset\_error}}{N\·Flux\·f}---\left(4\right);$

所述单粒子功能中断截面的计算方法为

${\mathrm{\σ}}_{func\_\mathrm{int}}=\frac{N_{func\_\mathrm{int}}}{flux}---\left(5\right);$

其中N_{func_int}为单粒子功能中断在辐照过程出现的次数；

单粒子功能中断指使器件长时期的输出失效，当器件输出码值连续X个周期处于偏移误差范围的失效周期时，则认为DUT产生一次单粒子功能中断；

单粒子翻转截面为闭锁出现次数与总注量的比值。

本发明还提供一种ADC器件单粒子效应测试系统，包括上位计算机、测试板及辐照板，上位计算机与测试板以串行通讯协议进行通讯，而辐照板与测试板则利用插座或扁平电缆相连；其特殊之处在于：

测试板主要由主控制电路、波形发生器、DUT参考源、DUT测试电路、功能监测电路、上位机接口电路及输入输出接口电路组成；

所述波形发生器、DUT参考源、DUT测试电路、功能监测电路分别依次通过主控制电路、上位机接口电路与上位计算机连接，所述波形发生器、DUT参考源、DUT测试电路、功能监测电路分别通过输入输出接口与辐照板连接；

所述上位机接口电路主要负责主控制电路与上位计算机之间的长线通讯，并把从上位计算机发来的命令转达到主控制电路，使其按照上位计算机的意图开始工作，并将从测试板其它部分获取的采集数据进行处理，回传给上位计算机；

所述主控制电路负责对波形发生器、DUT参考源、功能监测电路、DUT测试电路及串行通讯接口的控制，并使这些电路以一定的逻辑顺序进行操作，最终实现对ADC单粒子效应的测试；

所述波形发生器是在主控制电路的控制下，以一定的频率及码值顺序，把离散的数字信号转换成被测ADC器件测试所需的模拟输入信号；所述波形发生器的输出电压V_{w_out}的纹波<被测ADC器件的模拟输出V_{AD_out}的精度，提供的V_{w_out}的范围大于V_{AD_out}的范围；

所述DUT参考源主要用于为不带内部基准源的被测ADC器件提供参考电压源，参考源的输出值在标准值的±5％内微调；

所述DUT测试电路主要用于为被测ADC器件提供符合时序要求的控制信号、时钟信号及复位信号，并实时处理ADC器件的输出码值；

ADC输出码值的实时处理主要包括：

(1)记录总转换次数；

(2)噪声误差、偏移误差、单粒子功能中断甄别；

(3)统计发生噪声误差、偏移误差及单粒子功能中断的次数，并向上位机返回统计信息；

(4)记录并返回噪声误差、偏移误差及单粒子功能中断详细效应信息；

所述输入输出接口主要用于调整被测ADC器件输入控制信号及输出码值信号的电平，使系统可支持更多的ADC器件；

所述功能监测电路主要是向辐照板及被测ADC器件提供多路输出可调的电压源，并监测这些电源到辐照板上的电流，当电流大于保护阈值时，主动切断电源。

为满足ADC器件单粒子效应测试需求，所述DUT测试电路输出的DUT控制信号、时钟信号的工作频率在线实时调整，其最大工作频率大于被测ADC器件的最大工作频率。

为避免漏测单粒子效应，所述ADC输出码值的实时处理速度与被测ADC的转换速度相同。

为避免详细效应信息的丢失，采用噪声误差实时统计码值出现次数，实时返回偏移误差及单粒子功能中断效应信息。

利用上述的ADC器件单粒子效应测试系统进行单粒子效应测试的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】在上位计算机中设置被测器件信息；被测器件信息包括参考电压、允许电压范围、位数、控制时序；

2】进行器件的自校准测试；

使被测ADC器件的模拟输入电压分别为其最小值和最大值，验证器件的输出码值是否正确；若不正确，则应对模拟输入电压或器件的参考电压进行微调；

3】设置测试模式、被测ADC器件的模拟输入电压信号及闭锁电流阈值，模拟输入电压相关信号包括起始电压、终止电压、测试步距、转换周期数；测试模式包括固定输入电压测试及扫描电压测试；

固定输入电压测试是使被测ADC的模拟输入端为一个指定的固定输入，在器件辐照过程中，统计器件发生噪声误差、偏移误差及功能中断的次数；

扫描电压测试方式实际是固定输入电压测试的多次自动执行，在每次执行前按照指定的输入模拟电压范围及步距调整输入电压值；

4】上位计算机将被测器件ADC信息及测试设置发送给测试板；

5】下位计算机控制测试板上的波形发生器输出固定的起始电压值；

6】DUT测试电路依据器件及控制时序产生控制信号，使被测ADC进行数据转换，并对转换结果进行平均，作为当前输入模拟电压下的理想输出码值；

7】在没有进行单粒子辐照的情况下，开始ADC器件的测试，测量被测ADC在系统中的本征噪声误差截面，直到接收到上位机的结束测试命令或转换次数达到所设定的转换周期数；

8】判断当前ADC的模拟输入是否达到所设定的终止电压，若否则模拟输入电压＝当前值+测试步距，回到步骤5继续测试；若是，则结束本次测试；

9】计算并记录所测的本征误差截面；

10】开始重离子辐照，同时开始ADC器件的单粒子效应测试，开始统计ADC的转换次数、噪声误差出现的次数及偏移误差和闭锁出现的次数，直到接收到上位机的结束测试命令或转换次数达到所设定的转换周期数；重复步骤8；

11】结合步骤9所得结果，计算噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面。

本发明所具有的积极效果：

1、本发明提出的一种ADC器件单粒子效应测试方法，针对单粒子翻转及单粒子瞬态效应难以在实现现象上区分的问题，根据ADC器件功能，提出了4个可用于评价ADC器件抗单粒子性能的参数，分别为噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面。该方法既考虑了器件抗辐射性能考虑时所需的保守性，又考虑了实际应用中的需求，为ADC器件的抗单粒子性能考核提出了一种切实可行的测试方法。

2、本发明提出的一种ADC器件单粒子效应测试系统实现了ADC器件噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面的测试，为ADC器件的抗单粒子性能测试提供了测试系统。

3、本发明提出的一种ADC器件单粒子效应测试系统，不但可统计被测ADC器件噪声误差及偏移误差的出现次数，还可以返回效应出现时具体的码值信息。这些详细的效应数据信息，可为ADC器件单粒子效应敏感物理位置的分析及抗单粒子性能加固提供数据支持。

4、本发明为了提高系统的兼容性，使用户通过上位机控制软件就可以配置被测ADC器件时序，通过跳线可快速设置被测器件的电源电压及参数基准，使系统能支持多种型号、不同工作电压、不同基准的ADC器件的测试，具备了良好的兼容性。

附图说明

图1为本发明中ADC器件单粒子效应测试系统的组成结构框图；

图2为本发明测试系统中电流监测的组成结构图；

图3为系统中FPGA器件中的Microblaze核与测试板上其它电路连接图；

图4是本发明测试系统中DUT测试电路的状态转换图；

图5为系统被测ADC器件自校准流程；

图6为系统被测ADC器件固定电压测试流程；

图7为系统被测ADC器件扫描电压测试流程。

具体实施方式

本发明所提供的ADC器件单粒子效应测试方法，包括以下步骤：

1)在没有进行单粒子辐照的情况下，进行ADC器件的测试，计算被测ADC器件的本征误差截面；

2)在没有进行单粒子辐照的情况下，进行ADC器件的测试，统计ADC的转换次数、噪声误差出现的次数及偏移误差和闭锁出现的次数；

3)计算单粒子噪声误差截面、单粒子偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面；

噪声误差(Noise Errors)是指被测ADC的输出码值不等于理想码值，且与理想码值的差值在几个正负最低有效位(LSB)之内的，即0<|C_fact-C_ideal|≤X，其中X的值应根据系统的本征误差及被测ADC的转换精度设定，C_fact、C_ideal分别为实际输出码值及理想输出码值。

辐照后的噪声误差包括了系统的本征误差(包含系统输入电压及电源的误差、被测ADC器件的转换误差等)及由单粒子效应造成的转换误差，由于系统及被测器件的本征误差难以消除，因此系统的噪声误差在任何LET值下都不可能为零，但在单粒子效应实验时，噪声误差有可能由于单粒子效应的引入而增大，因此单粒子噪声误差截面的求取方法为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{noise\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{noise\_error\left(rad\right)}-N_{noise\_error\left(pre\right)}}{N\&CenterDot;Flux}---\left(1\right)$

其中N_{noise_error(rad)}，N_{noise_error(pre)}为辐照为前后输出码值处于噪声误差范围(理想码值±X·LSB)之内的码值个数，N为总的转换次数，Flux为辐照过程中的重离子总注量，σ_{noise_error}(A_in,f)表示当输入电压为A_in，转换频率为f时被测ADC器件的噪声误差截面，所代表的物理意义是单个粒子轰击在被测ADC器件内时产生噪声误差的机率，实际也是单粒子在单个转换周期内产生噪声误差的机率，其单位为cm²/device。国外相关研究结果表明，不同的输入模拟电压及器件转换频率，其噪声误差截面及偏移误差的截面会有较大的差异。在有些ADC器件中，式(1)所得的截面与器件的转换频率是成线性关系的，因此有时，噪声误差截面又可以表示：

${\mathrm{\&sigma;}}_{noise\_error}\left(A_{in}\right)=\frac{N_{noise\_error\left(rad\right)}-N_{noise\_error\left(pre\right)}}{N\&CenterDot;Flux\&CenterDot;f}---\left(2\right)$

其中f的单位一般用MSPS，因此最终截面的单位为cm²/MSPS。

偏移误差(Offset Errors)是指实际输出码值与理论输出码值之间的差值较大，即|C_fact-C_ideal|＞X时。偏移误差是由单粒子效应直接导致的，只有在单粒子效应实验时才有可能出现，当偏移误差出现时，表明ADC器件具有明显的单粒子效应，其输出码值与理想输出值有很大的偏差。偏移误差的截面求取方法为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{offset\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{offset\_error}}{N\&CenterDot;Flux}---\left(3\right)$

其N_{ofset_error}为辐照为前后输出码值处处于噪声误差范围(理想码值±X·LSB)之外的码值个数。同噪声误差的截面表示方法一样，偏移误差又可表示为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{offset\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{offset\_error}}{N\&CenterDot;Flux\&CenterDot;f}---\left(4\right)$

单粒子功能中断会造成器件长时期的输出失效，因此可以通过器件输出码值连续处于偏移误差范围的失效周期数或时间来判断。

单粒子闭锁截面主要是通过统计被测ADC器件在重离子辐照情况下，器件功耗电流超过限定值的次数来获取的，与数字集成电路的单粒子闭锁截面测试方法没有差异。器件在具有单粒子闭锁效应时，无法准确获取器件的单粒子翻转、单粒子瞬时、单粒子功能中断截面。因此在进行ADC器件的单粒子效应时，首先应确定是否具备单粒子闭锁效应。

在对器件的本身抗单粒子性能考核时，必须获取以上4个截面，缺一不可。但在器件的应用厂家考核时，由于噪声误差可能器件的应用不产生明显影响，可不予以测试。

为实现单粒子噪声误差截面、单粒子偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面的同时测试，本发明提供一种ADC器件单粒子效应测试系统，图1为本发明中ADC器件单粒子效应测试系统的组成结构框图。系统主要由上位计算机、测试板、辐照板三部分组成。上位计算机与测试板以RS－422串行协议及USB2.0协议进行通讯，而辐照板与测试板则利用插座或扁平电缆相连。系统硬件设计的核心是测试板，测试板主要由主控制电路、波形发生器、被测器件(DUT)参考源、DUT测试电路、功能监测电路及上位机数据传输接口等组成。系统波形发生器电路主要由DAC9881及PGA205两只器件组成。DAC9881是一个18位,最高工作频率为200kHz的高精度DAC，其非线性微分误差和非线性误差小于2LSB，如果电路设计良好，它的精度足以测试14位的ADC。由于该器件的最大工作电压为5V，无法提供更大的模拟信号，为了解决这一问题，系统设计时在其输出端串联了一个可编程、高精度模拟电压放大器PGA205(放大倍数可设置为1、2、4、8)。为了提高模拟信号的稳定性，PGA205的放大倍数采用手动跳线的方式来调整。系统功能监测主要由电压源及电流、电压监测电路组成。系统的1.2V～5.5V可在线调整的电压源可利用SPX117加电子电阻AD5160实现，需要调整电源电压值时，系统的主控制电路通过SPI接口访问AD5160，使其电阻值更改，从而实现电源电压的调整。图2为系统电流监测电路的组成。电流监测电路放大部分可选用MAX4372作为高端电流检测放大器，它具有较高的抗共模扰动能力，放大增益为20。它通过采样放置在电源模块输出线上的取样电阻两端的电压差，把电流信号放大为电压信号。随后电压信号进入一个16位精度的ADC器件MAX1168，把电压信号数字化，然后存储到转换结果寄存器。转换结果寄存器不断与电流阈值寄存器中的值进行比较，判断是否转换结果是否大于预先所设计的阈值。当转换结果大于阈值时，使主控制电路响应中断，并使串接在电源输出端的继电器断开，禁止电源模块输出。当关断时间到所设定的时间时，使继电器打开，为被测器件的供电，继续随后的测试。为了在被测ADC发生单粒子闭锁，尽可能快的关断电源电压，以防止器件烧毁，MAX1168在正常情况下长期处于电流监测状态，电流测量的速率达到200ksps。

上位机接口电路包括RS422接口电路及USB2.0接口电路。USB2.0接口电路设计可选用CY7C68013A，该芯片包括带8.5kB片上RAM的高速8051单片机、4KBFIFO存储器以及通用可编程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.0收发器，无需外加芯片即可完成高速USB传输。系统在设计时，主要使用了其SlaveFIFO模式。

系统的主控制电路可选用Xilinx公司的XC3S400为核心芯片，它具有丰富的内部资源及块存储器，使得系统可以把逻辑电路、时序电路及数据缓冲器均用它来实现，从而提高了系统的可靠性，减小了系统设计复杂度。为了简化系统的设计，在XC3S400中嵌入Microblaze软核。图3是Microblaze核与测试板上其它电路连接图。系统中Microblaze软核主要用了LMB及OPB两种总线，LMB主要与BlockRAM连接，作为系统程序存储器及数据存储器的连接总线。而系统测试板上主要电路均是通过OPB总线与Microblaze核相连。其中OPBUARTLITE核主要负责与上位机的串口通讯；OPB SPI核主要控制测试板上DAC9881，输出AD测试所需的测试电压；OPB PHY核负责与测试板上USB芯片CY7C68013A的数据通讯，实现系统测试板与上位计算机的USB协议通讯；OPB EPC核负责片外256k SRAM的控制；OPB MAX1168是一个自建的IP核，负责片外MAX1168的控制，测量被测器件的电源电流；OPB DUT_CONCTOL是一个自建的IP核，主要实现了被测ADC器件的控制接口。

系统的DUT测试电路与主控制电路放置在同一个FPGA中。图3中自建的IP核OPB DUT_CONCTOL就是实现了被测ADC器件的控制接口。系统的DUT测试电路的关键是实现对不同ADC器件的通用。由于不同的ADC器件，其时钟周期、控制信号、控制时序等均存在很大差异。为了解决这一问题，系统设计了一个8位的控制信号发生器。该控制发生器目前支持8种状态，每种状态时的控制信号值、状态的持续周期均可由上位机控制软件设定。图4是DUT测试电路的状态转换图。当不进行元器件的测试时，DUT测试电路处于Idle_state，当测试使能信号meas_En＝1时，进入state0；若meas_En持续有效，则在state0持续所设定的周期后，会转入state1。在状态转换时，还会检查当前的状态是否为最后一个状态，若是则转入状态0。对于一些低速的ADC器件，转换一次需要较长的时间，是否转换结束主要由状态信号的状态决定，较难给定某一个状态的持续周期数，为了解决这一问题，系统设定若某一状态的持续转换周期为零，则会一直稳定在该状态，直到状态信号发生状态变化，才会进入下一状态。此外，对于不同的ADC器件，器件转换码值的输出时刻会处于图5中的不同状态中。系统设计了一个ReadStateId的变量，若当前的状态值等于ReadStateId时，系统产生读使能信号，并在该状态的最后一个时钟，读取转换码值，并写入先入选出缓冲器(FIFO)，以备上位机读取。

为了实现对ADC单粒子效应实验时，输出转换码值信息的完整获取，为ADC器件单粒子效应敏感物理位置的分析及其单粒子性能加固提供支持，本发明的DUT测试电路设计中采用了两种途径。在FPGA中设计了128个64位的单周期存取的寄存器，以存储转换码值与理想码值的差值在±64个LSB之内码值出现次数，在每个模拟输入压值测试完成后，把这128个寄存器的数据返回到上位计算机。而对于转换码值与理想码值在±64个LSB之外的输出值则压入一个512深度的FIFO中，由上位机在辐照过程中随时读取并进行统计。

本发明所述的ADC器件单粒子效应测试系统提供了三种测试方式，分别为：自校准测试、固定输入电压测试及扫描电压测试。

自校准测试用于辐照前对被测器件的校准，其自校准测试的流程见图5。自校准测试是使器件的输入正端首先与负端相连，使器件进行零输入电压校准，然后再使模拟输入电压为被测ADC的满量程，验证器件的功能是否正常。该项测试是其它两类测试的基础，是在辐照前必须进行的。

固定输入电压测试是使被测ADC的模拟输入端为一个指定的固定输入，在器件辐照过程中，统计器件发生噪声误差、偏移误差及功能中断的次数。测试流程见图6。

扫描电压测试方式最接近于器件的实际使用情况，它实际是固定输入电压测试的多次自动执行，在每次执行前按照指定的输入模拟电压范围及步距调整输入电压值。测试流程见图7。

本发明所述的ADC器件单粒子效应测试系统的上位机控制软件采用Labview软件编写。主要包含以下几个功能：

(1)测试设置，包括：被测ADC器件特有参数的设置(如型号、工作电压范围、基准电压、分辨率、工作频率、转换时序等)；测试方式(自校准、固定电压测试、扫描电压测试)及相关参数设置；噪声误差、偏移误差、单粒子功能中断现象区分条件设置；单粒子闭锁测试条件设置；通讯端口设置；保存、编辑、调用测试设置等。

(2)噪声误差、偏移误差、单粒子功能中断测试结果显示，包括当前的总注量、器件的模拟输入电压值、在当前模拟输入电压值下转换次数、偏移误差的发生次数、噪声误差的发生次数、连续性错误的发生次数以及由这些数据所求得的偏移误差截面、噪声误差截面、单粒子功能中断截面等。

(3)电流、电压测试结果显示，包括±15V电源电压电流、器件数字电压源电流、模拟电压源电流、被测器件参考电压值及闭锁次数等。

(4)详细实验结果显示，包括每个码值在当前测试过程中的出现次数统计、偏移误差出现时所对应的总注量、持续性错误的持续周期数及输出码值等。

利用本发明的ADC器件单粒子效应测试系统进行单粒效应测试的方法，包括以下步骤：

1】在上位计算机中设置被测器件信息；被测器件信息包括参考电压、允许电压范围、位数、控制时序；

2】进行器件的自校准测试；

3】设置测试模式、被测ADC器件的模拟输入电压信号及闭锁电流阈值，模拟输入电压相关信号包括起始电压、终止电压、测试步距、转换周期数；

4】上位计算机将被测器件ADC信息及测试设置发送给测试板；

5】下位计算机控制测试板上的波形发生器输出固定的起始电压值；

6】DUT测试电路依据器件及控制时序产生控制信号，使被测ADC进行数据转换，并对转换结果进行平均，作为当前输入模拟电压下的理想输出码值；

7】在没有进行单粒子辐照的情况下，开始ADC器件的测试，测量被测ADC在系统中的本征噪声误差截面，直到接收到上位机的结束测试命令或转换次数达到所设定的转换周期数；

8】判断当前ADC的模拟输入是否达到所设定的终止电压，若否则模拟输入电压＝当前值+测试步距，回到步骤5继续测试；若是，则结束本次测试；

9】计算并记录所测的本征误差截面；

10】开始重离子辐照，同时开始ADC器件的单粒子效应测试，开始统计ADC的转换次数、噪声误差出现的次数及偏移误差和闭锁出现的次数，直到接收到上位机的结束测试命令或转换次数达到所设定的转换周期数；重复步骤8；

11】结合步骤9所得结果，计算噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面。

Claims (6)

1.一种模拟数字转换器单粒子效应测试方法，其特征在于：

1)在没有进行辐照的情况下，进行ADC器件的测试，计算被测ADC器件的本征误差截面；

2)在辐照的情况下，进行ADC器件的测试，统计ADC的转换次数、噪声误差出现的次数及偏移误差和闭锁出现的次数；

3)计算单粒子噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面；

所述单粒子噪声误差截面的求取方法为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{noise\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{noise\_error\left(rad\right)}-N_{noise\_error\left(pre\right)}}{N\&CenterDot;Flux}---\left(1\right),$

其中N_{noise_error(rad)}，N_{noise_error(pre)}为辐照前后输出码值处于噪声误差范围(理想码值±X·LSB)之内的码值个数，N为总的转换次数；

Flux为辐照过程中的重离子总注量，

σ_{noise_error}(A_in,f)表示当输入电压为A_in，转换频率为f时被测ADC器件的噪声误差截面，所代表的物理意义是单个粒子轰击在被测ADC器件内时产生噪声误差的机率，实际也是单粒子在单个转换周期内产生噪声误差的机率，其单位为cm²/device，

当式(1)所得的截面与器件的转换频率是成线性关系时，噪声误差截面表示为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{noise\_error}\left(A_{in}\right)=\frac{N_{noise\_error\left(rad\right)}-N_{noise\_error\left(pre\right)}}{N\&CenterDot;Flux\&CenterDot;f}---\left(2\right),$

其中f的单位一般用MSPS，此时截面的单位为cm²/MSPS；

偏移误差(Offset Errors)是指实际输出码值与理论输出码值之间的差值较大，即|C_fact-C_ideal|>X时，偏移误差是由单粒子效应直接导致的，只有在单粒子效应实验时才有可能出现，当偏移误差出现时，表明ADC器件具有明显的单粒子效应，其输出码值与理想输出值有很大的偏差；

偏移误差的截面求取方法为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{offset\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{offset\_error}}{N\&CenterDot;Flux}---\left(3\right),$

其中，N_{offset_error}为辐照为前后输出码值处于噪声误差范围之外的码值个数；同噪声误差的截面表示方法一样，偏移误差表示为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{offset\_error}(A_{in},f)=\frac{N_{offset\_error}}{N\&CenterDot;Flux\&CenterDot;f}---\left(4\right),$

所述单粒子功能中断截面的计算方法为

${\mathrm{\&sigma;}}_{func\_\mathrm{int}}=\frac{N_{func\_\mathrm{int}}}{Flux}---\left(5\right),$

其中N_{func_int}为单粒子功能中断在辐照过程出现的次数；

单粒子功能中断指使器件长时期的输出失效，当器件输出码值连续X个周期处于偏移误差范围的失效周期时，则认为DUT产生一次单粒子功能中断；

单粒子翻转截面为闭锁出现次数与总注量的比值。

2.一种模拟数字转换器单粒子效应测试系统，包括上位计算机、测试板及辐照板，上位计算机与测试板以串行通讯协议进行通讯，而辐照板与测试板则利用插座或扁平电缆相连；

其特征在于：

测试板主要由主控制电路、波形发生器、DUT参考源、DUT测试电路、功能监测电路、上位机接口电路及输入输出接口电路组成；

所述波形发生器、DUT参考源、DUT测试电路、功能监测电路分别依次通过主控制电路、上位机接口电路与上位计算机连接，所述波形发生器、DUT参考源、DUT测试电路、功能监测电路分别通过输入输出接口与辐照板连接；

所述上位机接口电路主要负责主控制电路与上位计算机之间的长线通讯，并把从上位计算机发来的命令转达到主控制电路，使其按照上位计算机的意图开始工作，并将从测试板其它部分获取的采集数据进行处理，回传给上位计算机；

所述主控制电路负责对波形发生器、DUT参考源、功能监测电路、DUT测试电路及串行通讯接口的控制，并使这些电路以一定的逻辑顺序进行操作，最终实现对ADC单粒子效应的测试；

所述波形发生器是在主控制电路的控制下，以一定的频率及码值顺序，把离散的数字信号转换成被测ADC器件测试所需的模拟输入信号；所述波形发生器的输出电压V_{w_out}的纹波<被测ADC器件的模拟输出V_{AD_out}的精度，提供的V_{w_out}的范围大于V_{AD_out}的范围；

所述DUT参考源主要用于为不带内部基准源的被测ADC器件提供参考电压源，参考源的输出值在标准值的±5％内微调；

所述DUT测试电路主要用于为被测ADC器件提供符合时序要求的控制信号、时钟信号及复位信号，并实时处理ADC器件的输出码值；

ADC输出码值的实时处理主要包括：

(1)记录总转换次数；

(2)噪声误差、偏移误差、单粒子功能中断甄别；

(3)统计发生噪声误差、偏移误差及单粒子功能中断的次数，并向上位机返回统计信息；

(4)记录并返回噪声误差、偏移误差及单粒子功能中断详细效应信息；

所述输入输出接口主要用于调整被测ADC器件输入控制信号及输出码值信号的电平，使系统可支持更多的ADC器件；

所述功能监测电路主要是向辐照板及被测ADC器件提供多路输出可调的电压源，并监测这些电源到辐照板上的电流，当电流大于保护阈值时，主动切断电源。

3.根据权利要求2所述的模拟数字转换器单粒子效应测试系统，其特征在于：

所述DUT测试电路输出的DUT控制信号、时钟信号的工作频率在线实时调整，其最大工作频率大于被测ADC器件的最大工作频率。

4.根据权利要求2所述的模拟数字转换器单粒子效应测试系统，其特征在于：

所述ADC输出码值的实时处理速度与被测ADC的转换速度相同。

5.根据权利要求2所述的模拟数字转换器单粒子效应测试系统，其特征在于：

采用噪声误差实时统计码值出现次数，实时返回偏移误差及单粒子功能中断效应信息。

6.利用权利要求2-5所述的模拟数字转换器单粒子效应测试系统进行单粒子效应测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】在上位计算机中设置被测器件信息；被测器件信息包括参考电压、允许电压范围、位数、控制时序；

2】进行器件的自校准测试；

使被测ADC器件的模拟输入电压分别为其最小值和最大值，验证器件的输出码值是否正确；若不正确，则应对模拟输入电压或器件的参考电压进行微调；

3】设置测试模式、被测ADC器件的模拟输入电压信号及闭锁电流阈值，模拟输入电压相关信号包括起始电压、终止电压、测试步距、转换周期数；测试模式包括固定输入电压测试及扫描电压测试；

固定输入电压测试是使被测ADC的模拟输入端为一个指定的固定输入，在器件辐照过程中，统计器件发生噪声误差、偏移误差及功能中断的次数；

扫描电压测试方式实际是固定输入电压测试的多次自动执行，在每次执行前按照指定的输入模拟电压范围及步距调整输入电压值；

4】上位计算机将被测器件ADC信息及测试设置发送给测试板；

5】下位计算机控制测试板上的波形发生器输出固定的起始电压值；

6】DUT测试电路依据器件及控制时序产生控制信号，使被测ADC进行数据转换，并对转换结果进行平均，作为当前输入模拟电压下的理想输出码值；

7】在没有进行单粒子辐照的情况下，开始ADC器件的测试，测量被测ADC在系统中的本征噪声误差截面，直到接收到上位机的结束测试命令或转换次数达到所设定的转换周期数；

8】判断当前ADC的模拟输入是否达到所设定的终止电压，若否则模拟输入电压＝当前值+测试步距，回到步骤5继续测试；若是，则结束本次测试；

9】计算并记录所测的本征误差截面；

10】开始重离子辐照，同时开始ADC器件的单粒子效应测试，开始统计ADC的转换次数、噪声误差出现的次数及偏移误差和闭锁出现的次数，直到接收到上位机的结束测试命令或转换次数达到所设定的转换周期数；重复步骤8；

11】结合步骤9所得结果，计算噪声误差截面、偏移误差截面、单粒子功能中断截面及单粒子闭锁截面。