CN112865792B

CN112865792B - 一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法

Info

Publication number: CN112865792B
Application number: CN202110026569.5A
Authority: CN
Inventors: 魏津; 张经祥; 胡雪原
Original assignee: Sundec Semiconductor Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Sundak Semiconductor Technology Shanghai Co ltd
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2041-01-08
Also published as: TWI771121B; CN112865792A; TW202230993A

Abstract

本发明涉及模拟数字转换器技术领域，具体地说是一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法。其特征在于包括如下步骤：S1，设置高精度参数测量单元工作参数；S2，设置数字测试通道为输入捕获模式；S3，执行数字测试通道样式程序，被测模拟数字转换器转换触发信号，并被数字测试通道捕获；S4，数字测试通道对抓取的数据进行成功‑出错判断，如果出错，记录出错的数据报告；S5，重复步骤S3‑S4，直至高精度参数测量单元电压升高至结束值；S6，查询出错报告，判断行‑不行，获得所有出错的数据报告进行分析。同现有技术相比，缩减了测试时间，精度高，提高测试效率。

Description

一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法

技术领域

本发明涉及模拟数字转换器技术领域，具体地说是一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法。

背景技术

目前很多数字芯片都集成了少量模数混合信号处理的功能，以模拟数字转换器ADC最为典型。为了判断ADC的好坏，通常需要测试ADC的线性度。

在自动测试机台上测试ADC的线性度的传统方法和技术要求是：1）利用任意波发生器（AWG）产生的电压斜坡信号，连接到ADC的模拟信号输入端。电压范围覆盖整改ADC工作的电压输入范围。需要高质量的电压斜坡信号，平滑度足够好。为了避免出现台阶纹波，要利用AWG的低通滤波功能来平滑斜坡波形，且斜坡不能太慢，以保证低通滤波器的平滑效果。2）利用数字通道的捕获功能去抓取ADC转换的数码输出结果。要做足够多次转换和抓取足够多的数据，以保证ADC每一个数值编码都有平均16点对应的电压输入，ADC全“0”码和全“1”码都有足够多的饱和电压输入；例如10bit的ADC有1024个数值编码，通常需要采样数据1024*16+2000点。并且需要高质量的时钟同步控制，AWG每次产生斜坡的相位要有精准偏移量，以保证所有数字编码的对应的电压都会被采样且概率均等。3）将采集的数据回读，后台软件做柱状图分布分析，计算积分非线性INL和微分非线性DNL的指标，判断好坏Pass/Fail。

通常需要测试机台加配混合信号测试模块，包含任意波发生器AWG。混合信号测试模块是昂贵的，而且占用测试机台的内部空间，相当于减少了机台的数字信号测试通道的数量。

传统测试方法需要大量数据采样，占用测试时间。而且采样数据要回读到电脑端，做软件分析，才能判断结果，这个回读过程也占用测试时间。并且传统测试方法没有简化的空间。对于低成本的ADC，通常只有在芯片设计验证阶段，才会启用精准测量INL/DNL的方法。在芯片量产阶段的测试的需求只要满足行-不行（Go-NoGo）的判断即可。具体就是验证INL/DNL有没有超过最小码宽度的情况。但是传统测试方法为了测试判断结果正确，就不能缩减采样数据量，因此不能缩减测试时间。而且行-不行（Go-NoGo）的判断还是要基于INL/DNL的计算，还是要把数据全部回读并做软件分析。

因此利用混合信号测试模块的传统测试方法对于低成本的ADC芯片测试是不经济的，负担不起的。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，利用数字测试通道上整合的高精度参数测量单元实现低成本测试模拟数字转换器线性度的需求。

为实现上述目的，设计一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，设置高精度参数测量单元工作参数；

S2，设置数字测试通道为输入捕获模式；

S3，执行数字测试通道样式程序，被测模拟数字转换器转换触发信号，并被数字测试通道捕获；

S4，数字测试通道对抓取的数据进行成功-出错判断，如果出错，记录出错的数据报告；

S5，重复步骤S3-S4，直至高精度参数测量单元电压升高至结束值；

S6，查询出错报告，判断行-不行，获得所有出错的数据报告进行分析；

所述的步骤S3具体包括如下步骤：

S31，执行数字测试通道样式程序；

S32，高精度参数测量单元依次根据被测模拟数字转换器的每个数值编码对应的中心电压理想值输出电压；

S33，高精度参数测量单元输出电压到位后，被测模拟数字转换器做一次AD转换；

S34，等待固定时间t后，数字测试通道做一次数据抓取。

所述的步骤S1中，设置高精度参数测量单元输出台阶电压的初始值为被测模拟数字转换器的数码0对应的电压，单步值为被测模拟数字转换器的最小码宽电压，结束值为被测模拟数字转换器最大数码值对应的电压。

所述的步骤S34中固定时间t=1/f，f为被测模拟数字转换器的采样率。

所述的步骤S4中将数字测试通道抓取的数据与样式程序里的预期值进行比较，两个数值完全相等为成功，有1比特差异即为出错。

所述的步骤S6中行-不行的判断标准是出错报告是否全空，出错报告全空即为行，出错报告不为空即为不行。

所述的数字测试通道、高精度参数测量单元与被测模拟数字转换器之间设有测试电路，所述的测试电路包括数字测试通道、参数设置数模转换器、强制放大器、误差比较器、电压放大器、被测模拟数字转换器，数字测试通道的样式触发信号端口连接参数设置数模转换器的一端，参数设置数模转换器的另一端分别连接误差比较器的一号端口，强制放大器的一号端口，误差比较器的二号端口分别连接强制放大器的二号端口，高精度参数测量单元、电压放大器的三号端口，误差比较器的三号端口连接数字测试通道的参数到位信号端口，强制放大器的三号端口分别连接被测模拟数字转换器的一号端口及电压跟随器一的一端，电压跟随器一的另一端连接电压放大器的一号端口，被测模拟数字转换器的二号端口分别连接电压跟随器二的一端、系统公共地二的一端，电压跟随器二的另一端连接电压放大器的二号端口，系统公共地二的另一端连接系统公共地一的一端，系统公共地的另一端连接强制放大器的四号端口，被测模拟数字转换器的三号端口连接数字测试通道的数字通道捕获端口。

本发明同现有技术相比，具有以下有益效果：

1.通过数字测试通道与高精度参数测量单元之间的双向通信机制，优化了电压稳定等待时间，缩减了测试时间；

2.利用高精度参数测量单元的四线模式，确保加载到被测模拟数字转换器输入端的电压精准，优于被测模拟数字转换器的最小码宽度的10倍以上的精度；

3.数字测试通道直接对抓取的数据进行判断，无需回读数据分析，可以直观地获得测试结果，提高测试效率；

4.当测试过程出错，只记录出错数据报告，出错时回读出错报告，不必每次测试都回读数据；并且回读的数据包含了所有错误，便于直接分析结果，无需从大量测试数据检索出错数据。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明步骤S3-S4的流程图。

图3为本发明的电路图。

图4为模拟数字转换器的原理示意图。

图5为图4中A处的局部放大图。

图6为实际转换函数和理想转换函数的偏差示意图。

图7为在实际转换函数每个数码宽度的误差示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

模拟数字转换器是把输入电压信号转换成输出数字码。如图4至图5所示。数字码用二进制表示，在量程范围内，每一个电压都会转换成唯一数码值，每一个数码值对应于一段电压范围，这个范围的电压都会转换为相同的数码值。这个范围的宽度就叫数码宽度。这个电压范围的中点称为转换点。满量程除以数码值的总数，叫最小码宽度，标记了模拟数字转换器ADC的分辨率。

理想情况下，所有数码的数码宽度都相同，都等于最小码宽度，每个转换点都位于理想ADC特征线上。

实际转换函数和理想转换函数的偏差如图6所示。在整个量程范围内，实际转换点和理想转换点偏差的最大值，称为积分非线性。

如果测试的输入电压都是理想转换点，当实际转换点和理想转换点偏差大于一个数码宽度时，就会出现转换结果不符预期。我们依次遍历所有理想转换点的电压来验证模拟数字转换器ADC的转换，转换结果就会出现多个不符合预期值。

因此，如果积分非线性的行-不行标准是误差小于一个最小码宽，只做理想转换点的验证就能够检出积分非线性的行-不行。

在实际转换函数中，每个数码宽度都有误差，如图7所示。即实际宽度和标准宽度(最小码宽)的偏差。在所有数码值的偏差中最大值称为微分非线性。

如果测试的输入电压都是理想转换点，每个数码值只对应测量一个点，无法标定实际的数码宽度，因此无法得出微分非线性。但是当实际转换点和理想转换点的偏差大于一个数码宽度时，不但转换结果不符预期，检查相邻的结果还必然出现丢失码或重复码的现象。我们依次遍历所有理想转换点的电压来验证模拟数字转换器的转换，转换结果就会出现丢失码和重复码。而且丢失码和重复码的现象应该成对出现，两者之间的数据都不符合预期。

如果丢失码和重复码间隔很近甚至相邻，则此处表现为微分非线性。如果丢失码和重复码之间包括了一大串不符合数据，则此处表现为积分非线性。根据这个特点可以判断微分非线性有没有超过一个最小码宽。

因此，如果微分非线性的行-不行标准是误差小于一个最小码宽，只做理想转换点的验证也能够检出微分非线性的行-不行。

如图1至图3所示，一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，包括如下步骤：

S1，设置高精度参数测量单元PMU工作参数；

S2，设置数字测试通道PE为输入捕获模式；

S3，执行数字测试通道PE样式程序，被测模拟数字转换器ADC转换触发信号，并被数字测试通道PE捕获；

S4，数字测试通道PE对抓取的数据进行成功-出错判断，如果出错，记录出错的数据报告；

S5，重复步骤S3-S4，直至高精度参数测量单元PMU电压升高至结束值；

所述的步骤S3具体包括如下步骤：

S31，执行数字测试通道PE样式程序；

S32，高精度参数测量单元PMU依次根据被测模拟数字转换器ADC的每个数值编码对应的中心电压理想值输出电压；

S33，高精度参数测量单元PMU输出电压到位后，被测模拟数字转换器ADC做一次AD转换；

S34，等待固定时间t后，数字测试通道PE做一次数据抓取。

步骤S1中，设置高精度参数测量单元PMU输出台阶电压的初始值为被测模拟数字转换器ADC的数码0对应的电压，单步值为被测模拟数字转换器ADC的最小码宽电压，结束值为被测模拟数字转换器ADC最大数码值对应的电压。

步骤S34中固定时间t=1/f，f为被测模拟数字转换器ADC的采样率。

步骤S4中将数字测试通道PE抓取的数据与样式程序里的预期值进行比较，两个数值完全相等为成功，有1比特差异即为出错。

步骤S6中行-不行的判断标准是出错报告是否全空，出错报告全空即为行，出错报告不为空即为不行。出错报告全空，即说明所有数码值的电压误差都小于一个最小码宽，符合行的标准。出错报告不为空，说明至少有一个数码值的电压误差大于一个最小码宽，符合不行的标准。

数字测试通道PE、高精度参数测量单元PMU与被测模拟数字转换器ADC之间设有测试电路，所述的测试电路包括数字测试通道PE、参数设置数模转换器DAC、强制放大器FA、误差比较器EC、电压放大器VA、被测模拟数字转换器ADC，数字测试通道PE的样式触发信号端口T1连接参数设置数模转换器DAC的一端，参数设置数模转换器DAC的另一端分别连接误差比较器EC的一号端口，强制放大器FA的一号端口，误差比较器EC的二号端口分别连接强制放大器FA的二号端口，高精度参数测量单元PMU、电压放大器VA的三号端口，误差比较器EC的三号端口连接数字测试通道PE的参数到位信号端口T2，强制放大器FA的三号端口分别连接被测模拟数字转换器ADC的一号端口及电压跟随器一VF1的一端，电压跟随器一VF1的另一端连接电压放大器VA的一号端口，被测模拟数字转换器ADC的二号端口分别连接电压跟随器二VF2的一端、系统公共地二GND2的一端，电压跟随器二VF2的另一端连接电压放大器VA的二号端口，系统公共地二GND2的另一端连接系统公共地一GND1的一端，系统公共地GND1的另一端连接强制放大器FA的四号端口，被测模拟数字转换器ADC的三号端口连接数字测试通道PE的数字通道捕获端口T3。

具体使用时，数字测试通道PE的型号为ADATE318BCPZ。参数设置数模转换器DAC的型号为AD5522JSVUZ内置的16-BIT FIN DAC。强制放大器FA的型号为OPA547。误差比较器EC的型号为AD5522JSVUZ内置的两个电压比较器CPL和CPH，其阈值电压分别设置为目标电压加/减一个最小码宽电压。当实际电压到达两个阈值电压中间区间，则两个比较器的输出逻辑可以作为电压到位的指示。电压放大器VA的型号为AD5522JSVUZ内置的VA。电压跟随器一VF1、电压跟随器二VF2的型号均为AD5522JSVUZ芯片内置的电压跟随器。

如图3所示，仅利用高精度参数测量单元PMU也能够实现模拟数字转换器ADC的线性度的测试，相比常规的测试方案，测试系统可以省去配置混合信号测试模块，提高数字通道的密度，降低测试成本，提高测试效率。

高精度参数测量单元PMU工作在台阶电压输出模式。输出电压由参数设置数模转换器DAC设置，预先设置好台阶值，从0电压开始，每收到一个触发信号，输出电压就会增加一个台阶，不需要每次设置。当参数设置数模转换器DAC的精度远高于被测模拟数字转换器ADC的最小码宽度，就可以用高精度参数测量单元PMU来测试模拟数字转换器ADC的非线性。

强制放大器FA的输出电压经过多段线路送到被测芯片模拟数字转换器ADC的输入端，再通过芯片接地管脚和系统公共地，回流至高精度参数测量单元PMU电路，这是一对信号驱动线。驱动线路上的电流会引入电压误差。但是通过四线制接法，将被测芯片的输入端和芯片地用一对专用的信号传感线引入高精度参数测量单元PMU的测量电路，这对传感线上电流极小，因此几乎没有引入电压误差，可以很精确测量到被测芯片的实际值。通过负反馈闭环控制，可以很精准控制被测芯片的加载的电压实际值。

强制放大器FA有补偿电容，会放慢实际电压到位速度，以保障闭环电路稳定性。而误差比较器可以判断实际电压是否到位，并在电压到位之后发送一个参数到位信号给数字测试通道。

Claims

1.一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，设置高精度参数测量单元（PMU）工作参数；

S2，设置数字测试通道（PE）为输入捕获模式；

S3，执行数字测试通道（PE）样式程序，被测模拟数字转换器（ADC）转换触发信号，并被数字测试通道（PE）捕获；

S4，数字测试通道（PE）对抓取的数据进行成功-出错判断，如果出错，记录出错的数据报告；

S5，重复步骤S3-S4，直至高精度参数测量单元（PMU）电压升高至结束值；

所述的步骤S3具体包括如下步骤：

S31，执行数字测试通道（PE）样式程序；

S32，高精度参数测量单元（PMU）依次根据被测模拟数字转换器（ADC）的每个数值编码对应的中心电压理想值输出电压；

S33，高精度参数测量单元（PMU）输出电压到位后，被测模拟数字转换器（ADC）做一次AD转换；

S34，等待固定时间t后，数字测试通道（PE）做一次数据抓取。

2.根据权利要求1所述的一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，其特征在于：所述的步骤S1中，设置高精度参数测量单元（PMU）输出台阶电压的初始值为被测模拟数字转换器（ADC）的数码0对应的电压，单步值为被测模拟数字转换器（ADC）的最小码宽电压，结束值为被测模拟数字转换器（ADC）最大数码值对应的电压。

3.根据权利要求1所述的一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，其特征在于：所述的步骤S34中固定时间t=1/f，f为被测模拟数字转换器（ADC）的采样率。

4.根据权利要求1所述的一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，其特征在于：所述的步骤S4中将数字测试通道（PE）抓取的数据与样式程序里的预期值进行比较，两个数值完全相等为成功，有1比特差异即为出错。

5.根据权利要求1所述的一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，其特征在于：所述的步骤S6中行-不行的判断标准是出错报告是否全空，出错报告全空即为行，出错报告不为空即为不行。

6.根据权利要求1所述的一种低成本测试模拟数字转换器线性度的方法，其特征在于：所述的数字测试通道（PE）、高精度参数测量单元（PMU）与被测模拟数字转换器（ADC）之间设有测试电路，所述的测试电路包括数字测试通道（PE）、参数设置数模转换器（DAC）、强制放大器（FA）、误差比较器（EC）、电压放大器（VA）、被测模拟数字转换器（ADC），数字测试通道（PE）的样式触发信号端口（T1）连接参数设置数模转换器（DAC）的一端，参数设置数模转换器（DAC）的另一端分别连接误差比较器（EC）的一号端口，强制放大器（FA）的一号端口，误差比较器（EC）的二号端口分别连接强制放大器（FA）的二号端口，高精度参数测量单元（PMU）、电压放大器（VA）的三号端口，误差比较器（EC）的三号端口连接数字测试通道（PE）的参数到位信号端口（T2），强制放大器（FA）的三号端口分别连接被测模拟数字转换器（ADC）的一号端口及电压跟随器一（VF1）的一端，电压跟随器一（VF1）的另一端连接电压放大器（VA）的一号端口，被测模拟数字转换器（ADC）的二号端口分别连接电压跟随器二（VF2）的一端、系统公共地二（GND2）的一端，电压跟随器二（VF2）的另一端连接电压放大器（VA）的二号端口，系统公共地二（GND2）的另一端连接系统公共地一（GND1）的一端，系统公共地（GND1）的另一端连接强制放大器（FA）的四号端口，被测模拟数字转换器（ADC）的三号端口连接数字测试通道（PE）的数字通道捕获端口（T3）。