CN105959007B - 一种高精度数模转换器的测试系统及测试方法 - Google Patents

一种高精度数模转换器的测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种高精度数模转换器的测试系统及测试方法，其中，测试系统包括：测试信号发生器，用于产生待测数模转换器所需要的测试信号、数据采集卡的触发信号以及待测数模转换器的工作时钟；DAC评估板，用于接收测试信号，将测试信号转换为模拟信号输出；数据采集卡，在每个外部触发信号的上升沿对模拟信号进行采集；数据处理模块，将数据采集卡采集到的数据进行处理，计算得到待测数模转换器的静态参数DNL、INL。本发明的测试系统经济高效地完成高精度数模转换器静态参数测试，并可以根据不同精度的待测数模转换器生成相应的测试信号和相应的数据处理，满足不同精度数模转换器的测试需要。

Description

一种高精度数模转换器的测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及一种高精度数模转换器的测试系统及测试方法,属于数模转换器技术领域。
背景技术
数模转换器广泛地应用于导弹、卫星、航空航天等军事国防领域和民用消费电子领域。随着半导体工艺的发展，数模转换器的精度越来越高，相应的对数模转换器性能评估显得尤为重要。
数模转换器芯片在ATE上的测试，需要采购昂贵的专用仪器，且对实验室环境有较高要求。数模转换器芯片利用六位半万用表 来采集DAC评估板输出的模拟信号并计算全码静态参数的方法耗时冗长。所以，需要一种更经济更易 实现效率更高的适用于实验室 的高精度数模转换器的测试系统和测试方法。
发明内容
本发明的技术解决方案是:克服现有技术的不足,提供一种高精度数模转换器的测试系统及测试方法,该测试方法可以灵活准确且快速地评估数模转换器的静态参数，经济实惠，易于实现，容易扩展。
本发明采用的技术方案为：
一种高精度数模转换器的测试系统，包括测试信号发生器、DAC评估板、供电电源、时钟源、数据采集卡和数据处理模块；
DAC评估板包括电源模块、时钟模块和FMC接口；
待测的数模转换器芯片置于所述DAC评估板上，时钟模块接收时钟源提供的信号，生成DCO时钟，通过FMC接口提供给测试信号发生器，作为测试信号发生器的工作时钟；所述供电电源给电源模块供电，电源模块提供所述待测的数模转换器芯片需要的数字电源和模拟电源；
测试信号发生器输出DCI时钟信号和TRIG时钟信号，DCI时钟信号提供给所述待测的数模转换器芯片作为其工作时钟，TRIG时钟信号提供给数据采集卡作为数据采集卡的采样时钟；同时，测试信号发生器还输出数字测试信号，通过FMC接口提供给待测的数模转换器芯片；待测的数模转换器芯片对接收到的数字测试信号进行数模转换，生成差分模拟信号并输出给数据采集卡进行采集，数据采集卡将采集结果发送给数据处理模块进行数据处理，完成对待测数模转换器芯片的测试。
所述测试信号发生器中包括位数切换模块，通过外部控制信号对位数切换模块进行控制，实现测试信号发生器输出的数字测试信号的切换，用于对应不同位数的所述待测数模转换器芯片。
所述待测数模转换器芯片的位数为14位、16位或者20位。
所述数据采集卡以500KHz/s的采样速率和24位分辨率对信号进行采集。
所述数字测试信号为起始值为2N-1，从起始值下降到0，然后上升到2N-1 再到0的周期信号，其中，N为待测数模转换器芯片的位数。
一种基于所述高精度数模转换器测试系统实现的高精度数模转换器的测试方法，包括如下步骤：
(1)将待测的数模转换器芯片安装在DAC评估板上，
(2)根据待测数模转换器芯片的位数，调整测试信号发生器中的位数切换模块，使得测试信号发生器输出的数字测试信号与待测数模转换器芯片匹配；
(3)待测数模转换器芯片对输入的数字测试信号进行数模转换，输出差分模拟信号给信号采集卡；
(4)信号采集卡在TIRG信号控制下，以500KHz/s的采样速率和24位分辨率对模拟信号进行采集，采样数据长度为2N+2N-1-1，N为待测数模转换器芯片的位数；
(5)数据处理模块对信号采集卡采集到的数据进行处理，取出后2N个数值，即从0至2N-1的完整上升斜波，数据处理模块根据该2N个数值计算静态参数，完成对高精度数模转换器的测试。
所述数字测试信号为起始值为2N-1，从起始值下降到0，然后上升到2N-1 再到0的周期信号，其中，N为待测数模转换器芯片的位数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)发明中的信号发生器可以产生不同精度数模转换器所需的测试信号。信号发生器由FPGA开发板实现，提供待测数模转换器的测试信号，根据精度不同，提供周期性中间值到全0到全1到全0的三角波信号。不需采购专门的设备，易于实现，易于扩展且经济实惠。
(2)信号发生器产生的测试信号为中间值为起始值的周期性三角波信号。分析显示系统从中截取全0至全1的上升斜波信号来计算静态参数，这样可以避免前一周期从全1至全0的信号突变带来的误差。
(3)待测数模转换器评估板配置FMC 接口 ，可以方便地接收信号发生器即FPGA产生的测试信号以及时钟信号；
(4)采用基于 PXI的高精度数据采集卡 采集模拟信号。该采集卡以 500KHz/s频率，24位精度对模拟信号进行采集，适用于采集分辨率小于24 位DAC的模拟输出信号。采用高精度数字采集卡取代多功能万用表采集模拟信号大大提高了数据采集速率，使得对高精度DAC静态参数进行全码测试成为可能。
附图说明
图1高精度数模转换器测试系统框图
图2测试信号发生器结构示意图
图3测试信号波形图
图4数据采集卡采集到的信号波形图
图5数据采集及数据处理流程图
图6数据采集及数据处理前面板
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：
如图1所示，本发明提供了一种高精度数模转换器的测试系统，包括测试信号发生器、DAC评估板、供电电源、时钟源、数据采集卡和数据处理模块；
DAC评估板包括电源模块、时钟模块和FMC接口；
待测的数模转换器芯片置于所述DAC评估板上，时钟模块接收时钟源提供的信号，生成DCO时钟，通过FMC接口提供给测试信号发生器，作为测试信号发生器的工作时钟，其中，时钟源频率与待测数模转换器频率相同；所述供电电源给电源模块供电，电源模块提供所述待测的数模转换器芯片需要的数字电源和模拟电源；
图2所示为测试信号发生器结构示意图，测试信号发生器输出DCI时钟信号和TRIG时钟信号，DCI时钟信号提供给所述待测的数模转换器芯片作为其工作时钟，TRIG时钟信号提供给数据采集卡作为数据采集卡的采样时钟；同时，测试信号发生器还输出数字测试信号，通过FMC接口提供给待测的数模转换器芯片；待测的数模转换器芯片对接收到的数字测试信号进行数模转换，生成差分模拟信号并输出给数据采集卡进行采集，数据采集卡将采集结果发送给数据处理模块进行数据处理，完成对待测数模转换器芯片的测试。
如图2所示，测试信号发生器中包括位数切换模块，通过外部控制信号对位数切换模块进行控制，实现测试信号发生器输出的数字测试信号的切换，用于对应不同位数的所述待测数模转换器芯片。待测数模转换器芯片的位数为14 位、16位或者20位。本领域中，14位以上精度的数模转换器芯片被称为高精度数模转换器。
数据采集卡以500KHz/s的采样速率和24位分辨率对信号进行采集。如图 4所示为数据采集卡采集到的波形。数字测试信号为起始值为2N-1，从起始值下降到0，然后上升到2N-1再到0的周期信号，其中，N为待测数模转换器芯片的位数。
基于上述测试系统，本发明还提供了一种高精度数模转换器的测试方法，包括如下步骤：
(1)将待测的数模转换器芯片安装在DAC评估板上；
(2)测试信号发生器由FPGA开发板来实现，根据待测数模转换器芯片的位数，通过调整测试信号发生器(FPGA开发板)上的拨码开关来控制测试信号发生器中的位数切换模块，使得测试信号发生器输出的数字测试信号与待测数模转换器芯片匹配；FPGA程序中的位数切换模块根据拨码开关的状态产生控制信号控制波形生成模块中的计数器状态，不同的计数器状态对应输出不同位数数模转换器所需测试信号，图3为测试信号发生器产生的周期性波形示意图。信号的起始值为2N-1,递减至0，然后为0至2N-1的周期性波形；
(3)DAC评估板通过FMC接口使待测数模转换器接收来自测试信号发生器的测试信号和时钟信号，并将数字信号转换为模拟信号输出到数据采集卡；
(4)数据采集卡在TIRG信号控制下，以500KHz/s的频率对评估板输出的2KHz/s的模拟信号进行采集。采集流程如图5所示，先对数据采集卡进行初始化，设置采集方式为单端方式，采集卡的两个通道channel0和channel1 分别以单端方式采集数模转换器输出的模拟信号，取两个通道采集到信号的差值作为数模转换器的差分信号进行静态参数分析计算。触发方式为外部触发，触发延时设置为15us，外部触发信号为测试信号发生器产生的TRIG信号，设置触发延时可以避免触发信号上升沿的抖动对采集信号的影响，在上升沿后15us外部触发信号稳定后开始采集数据。图6所示为LABVIEW实现的数据处理模块控制数据采集卡采集数据并计算静态参数的前面板。采集卡的采集速率设置为500KHz/s,24位精度，可以对低于24位精度的数模转换器静态参数进行分析。设置待测试数模转换器的位数N，采样数据长度为2N+2N-1-1。使用 For循环来采集模拟信号，循环次数为2N+2N-1-1，每次循环采集一个模拟信号，采样值为2KHz外部触发信号TRIG触发下，以500KHz频率采样100次的平均值。采样完成后，取出后2N个数值，即从0至2N-1完整的上升斜波来计算静态参数，这么做是为了消除前一个周期最大值到最小值的突变对测试结果的影响。这样完成了对高精度数模转换器的测试。
实施例：
在实验室用本发明的系统和方法测试了两款数模转换器芯片，分别描述如下：
待测芯片1：14位2.5GSPS的数模转换器芯片
如图1连接测试系统，5V的供电电源经过DAC评估板上的电源模块，产生待测芯片1所需的3.3V模拟电源、1.8V模拟电源、3.3V数字电源和1.8V 数字电源。时钟源为2.5GHz，待测信号发生器切换到产生14位待测数模转换器状态。
系统运行后，时钟源经由DAC评估板时钟模块产生的DCO时钟信号通过 FMC接口连接至测试信号发生器，作为其主时钟。由该时钟分频产生2KHz的输出信号TRIG连至数据采集卡。参数设置好的数据采集卡以TRIG为触发信号以500KHz的速率对DAC评估板输出的模拟信号进行采集，共采集24575 个采样点，数据处理模块取后16384个点计算静态参数，结果为DNL＝0.9LSB， INL＝3.1LSB。整个测试过程用时40秒。
待测芯片2：16位1.0GSPS的数模转换器芯片
如图1连接测试系统，5V的供电电源经过DAC评估板上的电源模块，产生待测芯片2所需的3.3V模拟电源、1.8V模拟电源、3.3V数字电源和1.8V 数字电源。时钟源为1.0GHz，待测信号发生器切换到产生16位待测数模转换器状态。
系统运行后，时钟源经由DAC评估板时钟模块产生的DCO时钟信号通过 FMC接口连接至测试信号发生器，作为其主时钟。由该时钟分频产生2KHz的输出信号TRIG连至数据采集卡。参数设置好的数据采集卡以TRIG为触发信号以500KHz的速率对DAC评估板输出的模拟信号进行采集，共采集98303 个采样点，数据处理模块取后65536个点计算静态参数，结果为DNL＝1.1LSB INL＝3.4LSB。整个测试过程用时160秒。
如果用六位半多功能万用表来测试待测数模转换器的静态参数，1分钟大概可以采1000个点，对于待测芯片1，14位数模转换器全码测试万用表一共需要采集16384个采样点，这样完成全码静态参数测试一共需要16分钟。对于待测芯片2，16位数模转换器全码测试万用表一共需要采集65536个采样点，这样完成全码静态参数测试一共需要64分钟。且使用六位半万用表测试待测数模转换器的静态参数测试结果和本发明的测试结果相当。
所以本发明相比使用万用表采集待测数模转换器模拟信号计算其静态参数的方法，在不影响测试结果的情况下，大大提升了测试效率。

Claims (2)

1.一种高精度数模转换器的测试系统，其特征在于，包括测试信号发生器、DAC评估板、供电电源、时钟源、数据采集卡和数据处理模块；
DAC评估板包括电源模块、时钟模块和FMC接口；
待测的数模转换器芯片置于所述DAC评估板上，时钟模块接收时钟源提供的信号，生成DCO时钟，通过FMC接口提供给测试信号发生器，作为测试信号发生器的工作时钟；所述供电电源给电源模块供电，电源模块提供所述待测的数模转换器芯片需要的数字电源和模拟电源；
测试信号发生器输出DCI时钟信号和TRIG时钟信号，DCI时钟信号提供给所述待测的数模转换器芯片作为其工作时钟，TRIG时钟信号提供给数据采集卡作为数据采集卡的采样时钟；同时，测试信号发生器还输出数字测试信号，通过FMC接口提供给待测的数模转换器芯片；待测的数模转换器芯片对接收到的数字测试信号进行数模转换，生成差分模拟信号并输出给数据采集卡进行采集，数据采集卡将采集结果发送给数据处理模块进行数据处理，完成对待测数模转换器芯片的测试；
所述数据采集卡以500KHz/s的采样速率和24位分辨率对信号进行采集；
所述数字测试信号为起始值为2N-1，从起始值下降到0，然后上升到2N-1再到0的周期信号，其中，N为待测数模转换器芯片的位数；
所述测试信号发生器中包括位数切换模块，通过外部控制信号对位数切换模块进行控制，实现测试信号发生器输出的数字测试信号的切换，用于对应不同位数的所述待测数模转换器芯片；
所述待测数模转换器芯片的位数为14位、16位或者20位。
2.一种基于权利要求1所述高精度数模转换器测试系统实现的高精度数模转换器的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待测的数模转换器芯片安装在DAC评估板上，
(2)根据待测数模转换器芯片的位数，调整测试信号发生器中的位数切换模块，使得测试信号发生器输出的数字测试信号与待测数模转换器芯片匹配；
(3)待测数模转换器芯片对输入的数字测试信号进行数模转换，输出差分模拟信号给信号采集卡；
(4)信号采集卡在TIRG信号控制下，以500KHz/s的采样速率和24位分辨率对模拟信号进行采集，采样数据长度为2N+2N-1-1，N为待测数模转换器芯片的位数；
(5)数据处理模块对信号采集卡采集到的数据进行处理，取出后2N个数值，即从0至2N-1的完整上升斜波，数据处理模块根据该2N个数值计算静态参数，完成对高精度数模转换器的测试；
所述数字测试信号为起始值为2N-1，从起始值下降到0，然后上升到2N-1再到0的周期信号，其中，N为待测数模转换器芯片的位数。
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