CN116743169A - 一种用于测试高速adc芯片参数的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，属于芯片测试技术领域，其通过ZYNQ‑7000SOC(SystemOnChip)片上嵌入式系统测试平台，集成DDS(DirectDigitalSynthesis)直接数字合成信号发生器模块，功耗测量模块，也包括必要的时钟，电源，液晶屏显示，触摸屏输入，以太网通信等功能模块，并在此基础上采集足够多的数据，然后通过ZYNQ‑7000平台可编程逻辑部分和IP(IntellectualProperty)知识产权核，进行实时数字信号处理；得到各待测试参数结果，同时可以在液晶屏的友好人机界面上实时显示所测试的参数，进而实现对高速ADC进行快速、精确的低成本便携式测试方案，在保证测试精度的同时降低测试成本，减少测试装置体积和接线数量，提高便捷性。特别适用于小批量验证和ADC用户验证阶段测试。
Description
技术领域
本发明属于芯片测试技术领域，尤其涉及一种用于测试高速ADC芯片参数的测试方法。
背景技术
随着现代芯片技术的不断发展，高速ADC应用已经深入到各个领域，例如医疗设备，航空航天，雷达，6G，无人驾驶等。当前已有的ADC内部架构和制造工艺使得ADC正朝着高速和高精度两大方向发展。高速高精度ADC的各项参数测试需要处理海量数据，对中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)算力提出了更高要求，单独使用CPU性能提升遭遇瓶颈，无法快速便捷测试验证ADC各项重要参数，给ADC应用带来了极大的挑战。在此背景下，如何实现对高速ADC的快速、精确测试以确保其可靠应用变得十分重要。
CPU+XPU异构方案成为增强算力一种途径，ZYNQ-7000是包含PS与PL的异构SOC，可实现大量数据运算，满足高速ADC测试需求，给测试高速ADC性能参数提供了新的精确测试方法。在混合信号测试领域，ADC芯片的主要测试内容应包括以下几项：电气性能测试、ADC静态参数以及ADC动态参数测试。其中电气性能测试最重要的是功耗测试。静态参数主要是针对线性度的测试，包括微分非线性DNL与积分非线性INL。动态参数测试指标主要有信噪比SNR、总谐波失真THD、信纳比SINAD、无杂散动态范围SFDR、有效位数ENOB等。功耗测试是在电源处通过采样电阻采集电流，经过计算得到；线性度和动态参数测试首先选取特定精度的信号源或仪器生成高频、高精度的单音正弦信号或者高线性度的锯齿波信号作为待测ADC的输入激励，静态参数测试主要是基于直方图统计原理，即利用信号发生器生成锯齿波或者正弦信号，并作为待测ADC的输入激励，采集一定数量的待测ADC的输出码值，然后统计输出码值建立直方图，分析每个码值所对应的码宽同理想码宽之间的误差。动态参数测试主要是利用FFT分析法，先将采样到一定数量的ADC时域数据转换到频域，然后根据各参数的定义进行计算，得到各动态参数。
已有的ADC测试标准方法，如使用多种实验室通用仪器搭建测试系统或使用大型自动化测试设备ATE(AutomaticTestEquipment)均有测试的具体步骤，缺点也显而易见，系统搭建复杂，高成本将使得一般ADC测试与验证的应用变得无法接受。在此基础上，出现了基于低精度信号源测试高精度ADC的测试算法，也出现了ARM核处理器和FPGA(FieldProgrammableGateArray)现场可编程门阵列分体组合的测试方法，一般情况下是将ADC数据发送至上位机后，通过大型计算软件处理得到频域数据，然后进行计算并显示。以上方法虽然考虑了测试高速ADC时如何降低所需信号源精度，优化数据处理算法，但是都没有考虑动态参数和功耗同时测试，也没有考虑成本、便捷性以及测试时间。目前对高速ADC进行测试的装置，动态测试实现相对困难，需要外接大量仪器设备，且由于连接复杂，不能保证可靠性和稳定性，测试软件设计较为简单、人机交互困难，测试数据不能实时存储记录；随着高速ADC采样率和分辨率的提升，需要提高数据通信接口吞吐率，传统的串口等通信接口速率低下，会造成时间与成本的严重浪费，硬件维护复杂度高。因此设计出一个稳定的高速ADC测试装置，能准确地测试和验证其真正的性能指标供给开发人员，需求是非常迫切的。
发明内容
10、本发明的目的在于提供一种用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，基于测试装置实现，测试装置包括主控板和用于搭载待测ADC芯片的芯片测试插座，所述芯片测试插座直接固定于主控板上；
主控板搭载有ZYNQ-7000处理器和DAC数模转换器并集成有可调时钟模块、可调电源模块、功耗测量模块、液晶屏显示模块、触摸屏输入模块和以太网通信模块，ZYNQ-7000处理器包括DDS信号发生器模块和XADC模数转换器，以太网通信模块与云端信号连接；
测试方法具体包括如下步骤：
S1：确定待测ADC芯片的数据手册各项标称参数，并将待测ADC芯片插入芯片测试插座中；
S2：通过触摸屏输入模块设置DDS信号发生器模块，使其产生满足奈奎斯特采样定理的正弦信号，设置连接待测ADC芯片的电源电压和参考时钟的参数；
S3：根据设置的参数选择滤波器，当正弦信号经过滤波后，选择耦合方式将激励信号输入待测ADC芯片；
S4：将待测ADC芯片检测后输出的数据传输至ZYNQ-7000处理器，利用ZYNQ-7000处理器的逻辑资源和算法，选择直方图统计法计算ADC静态参数微分非线性和积分非线性；选择加合适窗函数的快速傅里叶变换运算，实现时域至频域的转换，然后计算动态参数信噪比、信纳比、总谐波失真、无杂散动态范围和有效位数，得到各参数的计算结果，于液晶屏显示模块的液晶屏上显示静态参数、动态参数和频谱图；
S5：将基于电流电压转换后的信号输入XADC模数转换器内，计算实时功耗并在液晶屏上显示功耗的历史曲线；
S6：将S4-S5中所测量和计算得到的数据通过以太网通信模块发送至云端进行储存，并接受来自云端的测试命令。
进一步地，可调时钟模块使用恒温晶振作为时钟源，并经过锁相环芯片设置多路可调输出信号作为信号发生器模块时钟和待测ADC时钟，用于测试在不同采样率下的ADC动态参数信噪比、信纳比、总谐波失真、无杂散动态范围和有效位数。
进一步地，可调电源模块通过ZYNQ-7000处理器控制DAC数模转换器产生一个参考电压，并将参考电压输入至电源模块参考端，达到供给ADC的电源可调节的目的，以方便测试不同型号的ADC芯片。
进一步地，功耗测量模块通过电阻R对经过的待测ADC电流I转换为电压，然后经过运放调整到XADC参考电压范围内的电压，最后将调整后的电压输入至ZYNQ-7000处理器内部的XADC模数转换器进行数据采集运算，基于已知电源电压U，得到实时功耗，运算公式表示为：P＝U×I。
进一步地，液晶屏显示模块用于显示待测ADC芯片的静态参数、动态参数、频域图形、实时功耗和历史曲线。
进一步地，触摸屏输入模块通过触摸屏设置待测ADC的不同采样频率、输入激励正弦波、电源电压和参考电压，或通过触摸屏设置多个测试步骤，以进行自动化测试。
进一步地，以太网通信模块包括以太网接口和网络变压器，主控板通过以太网接口连接至云端，以太网通信模块配合ZYNQ-7000处理器的MAC控制器实现以太网命令解析和与云端之间的数据传输功能。
进一步地，DDS信号发生器模块，主要用于产生激励信号，输入待测ADC芯片，特征是利用ZYNQ-7000内部IP核实现DDS功能，将数字信号输出至ZYNQ-7000外部的DAC数模转换器，产生激励模拟信号。
进一步地，滤波器模块用于滤除激励模拟信号，即正弦模拟信号中的噪声和谐波，产生纯净的单音信号，滤波器基于不同激励信号输入宽带的需求，替换为低通滤波器或带通滤波器。
进一步地，耦合方式为变压器耦合或差分放大器耦合，通过继电器切换实现，可以比较不同耦合方式对各参数的影响。
进一步地，快速傅里叶变换运算，该运算利用ZYNQ-7000内部IP核，将ADC采集到的时域数据转换到频域数据，为提高测试精度，转换前选择窗函数进行加窗处理，以减少频谱泄露，然后根据动态参数公式进行计算得到结果；可根据不同ADC参数调整FFT算法配置，达到最佳的测试性能。
进一步地，加合适窗函数即窗函数加窗处理，是在ZYNQ-7000的PL端实现，用来减少FFT处理过程的频谱泄露。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
1、本发明结合了高速ADC测试需求和ZYNQ-7000的特点，在确保较高测试精度的前提下，实现快速低成本测试方案。
2、本发明所描述的用于高速ADC的测试方法，充分综合利用ZYNQ-7000内部资源，实现在保证测试精度的同时降低测试成本，大大减小测试装置体积，减少测试仪器接线，提高便捷性与稳定性。
3、本发明提供的方法适用于高速ADC的测试，对高速ADC测试领域具有普遍的参考价值；且可方便地集成于大型ATE设备当中，实现量产芯片的并行测试，减少测试时间，进而减少成本。
4、本发明使用的DDS信号发生器模块，其波形发生是基于ZYNQ-7000内部IP核资源，通过配置IP可修改输出频率和波形；使用ZYNQ-7000处理器自带的信号发生器替代外接实验室通用仪器，控制更加方便，生成波形更加灵活；同时信号发生器和待测ADC以共同时钟源为参考，更好地保证了一致性，减少人为杂散出现。
附图说明
图1为本发明高速ADC芯片测试的原理框图。
图2为本发明高速ADC芯片测试的流程图。
图3为本发明高速ADC芯片的测试装置连接结构图。
图4为本发明高速ADC芯片功耗测试示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明一种用于测试高速ADC芯片参数的测试方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
一种用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，基于测试装置实现，测试装置包括主控板和用于搭载待测ADC芯片的芯片测试插座，芯片测试插座直接固定于主控板上。
主控板搭载有ZYNQ-7000处理器和DAC数模转换器并集成有可调时钟模块、可调电源模块、功耗测量模块、液晶屏显示模块、触摸屏输入模块和以太网通信模块，ZYNQ-7000处理器包括DDS信号发生器模块和XADC模数转换器，以太网通信模块与云端信号连接。
上述各模块具体为
可调时钟模块：
使用低抖动恒温晶振OCXO(OvenControlledCrystalOscillator)作为时钟源，然后通过锁相环PLL(Phase-LockedLoops)芯片可设置多路可调输出信号作为信号发生器模块时钟和待测ADC时钟，方便测试在不同采样率下的ADC动态参数SNR、THD、SINAD、SFDR、ENOB。
可调电源模块：
通过主控芯片ZYNQ-7000控制一片高精度DAC产生一个参考电压，输出至电源模块参考端，从而达到供给ADC电源可调节的目的，方便测试不同型号ADC芯片。
功耗测量模块：
通过采样电阻R将经过待测ADC电流I转换为电压后，再经过运放调整到XADC参考电压范围内的电压，然后输入ZYNQ-7000内部XADC进行数据采集运算，因为电源电压U已知，通过公式功耗P＝U×I计算得到实时功耗。
液晶屏显示模块：
显示待测ADC静态参数和动态参数，并显示频域图形；显示实时功耗，并显示历史曲线。
触摸屏输入模块：
通过触摸屏可设置待测ADC的不同采样频率、输入激励正弦波、电源电压和参考电压，也可以通过设置多个测试步骤，进行自动化测试。
以太网通信模块：
其速率可达千兆并向下兼容，主要是发送测试数据，接收控制命令，利用ZYNQ-7000处理器自带的MAC控制器加外部以太网物理层收发器即以太网接口和网络变压器实现以太网命令解析和数据传输等功能。
DDS信号发生器模块：
其波形发生模块是基于ZYNQ-7000内部IP核资源实现DDS功能，将数字信号输出至ZYNQ-7000外部的DAC数模转换器，产生激励模拟信号，通过配置IP可修改输出频率和波形；使用自带信号发生器模块替代外接实验室通用仪器，控制更加方便，生成波形更加灵活；同时信号发生器和待测ADC以共同时钟源为参考，更好地保证了一致性，减少人为杂散出现。
滤波器模块：
将产生的模拟信号进行滤波，滤除噪声和谐波，产生纯净的单音信号，滤波器为通过射频线缆连接的低通或带通滤波器，以满足不同激励信号输入带宽的需求；
作为优化，可以通过继电器切换待测ADC输入耦合方式为变压器耦合或差分放大器耦合，比较不同耦合方式对各参数的影响。
参考图1和2，测试方法具体包括如下步骤：
步骤1：确定待测ADC芯片的数据手册各项标称参数，如采样率，分辨率，供电电压等。假设采样率为100MHz，分辨率为12-Bit，电源电压为3.3V，参考电压为2.5V。将待测ADC芯片插入芯片测试插座中。
步骤2：通过触摸屏输入模块设置DDS信号发生器模块，使其产生满足奈奎斯特采样定理的正弦信号，设置连接待测ADC芯片的电源电压为3.3V，参考时钟100MHz。
步骤3：根据上一步设置选择合适低通或带通滤波器，通过射频连接器连接。当正弦信号经过滤波后，选择耦合方式将激励信号输入待测ADC芯片，使用测试装置进行测试，测试装置连接参考图3。
步骤4：将待测ADC芯片检测后输出的数据传输至ZYNQ-7000处理器，利用其逻辑资源和算法，选择直方图统计法计算ADC静态参数微分非线性和积分非线性；选择加合适窗函数的快速傅里叶变换运算，实现时域至频域的转换，然后计算动态参数信噪比、信纳比、总谐波失真、无杂散动态范围和有效位数，得到各参数的计算结果，并在液晶屏上显示静态参数，动态参数与频谱图。
步骤5：待测ADC芯片的功耗测试。参考图4，通过基于电流电压转换后的信号输入ZYNQ-7000处理器内部XADC模数转换器，计算实时功耗并在液晶屏上显示历史曲线。
步骤6：将所测量和计算得到的数据通过以太网接口发送至云端进行存储并接收来自云端的测试命令。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，基于测试装置实现，测试装置包括主控板和用于搭载待测ADC芯片的芯片测试插座，所述芯片测试插座直接固定于主控板上；
所述主控板搭载有ZYNQ-7000处理器和DAC数模转换器并集成有可调时钟模块、可调电源模块、功耗测量模块、液晶屏显示模块、触摸屏输入模块和以太网通信模块，所述ZYNQ-7000处理器包括DDS信号发生器模块和XADC模数转换器，所述以太网通信模块与云端信号连接；
测试方法具体包括如下步骤：
S1：确定待测ADC芯片的数据手册各项标称参数，并将待测ADC芯片插入芯片测试插座中；
S2：通过触摸屏输入模块设置DDS信号发生器模块，使其产生满足奈奎斯特采样定理的正弦信号，设置连接待测ADC芯片的电源电压和参考时钟的参数；
S3：根据设置的参数选择滤波器，当正弦信号经过滤波后，选择耦合方式将激励信号输入待测ADC芯片；
S4：将待测ADC芯片转换后输出的数据传输至ZYNQ-7000处理器，利用ZYNQ-7000处理器的逻辑资源和算法，选择直方图统计法计算ADC静态参数微分非线性和积分非线性；选择加合适窗函数的快速傅里叶变换运算，实现时域至频域的转换，然后计算动态参数信噪比、信纳比、总谐波失真、无杂散动态范围和有效位数，得到各参数的计算结果，于液晶屏显示模块的液晶屏上显示静态参数、动态参数和频谱图；
S5：将基于电流电压转换后的信号输入XADC模数转换器内，计算实时功耗并在液晶屏上显示功耗的历史曲线；
S6：将S4-S5中所测量和计算得到的数据通过以太网通信模块发送至云端进行储存，并接受来自云端的测试命令。
2.根据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述可调时钟模块使用恒温晶振作为时钟源，并经过锁相环芯片设置多路可调输出信号作为信号发生器模块时钟和待测ADC时钟，用于测试在不同采样率下的ADC动态参数信噪比、信纳比、总谐波失真、无杂散动态范围和有效位数。
3.根据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述可调电源模块通过ZYNQ-7000处理器控制DAC数模转换器产生一个参考电压，并将参考电压输入至电源模块参考端，达到供给ADC的电源可调节的目的，以方便测试不同型号的ADC芯片。
4.根据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述功耗测量模块通过电阻R对经过的待测ADC电流I转换为电压，然后经过运放调整到XADC参考电压范围内的电压，最后将调整后的电压输入至ZYNQ-7000处理器内部的XADC模数转换器进行数据采集运算，基于已知电源电压U，得到实时功耗，运算公式表示为：P＝U×I。
5.根据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述液晶屏显示模块用于显示待测ADC芯片的静态参数、动态参数、频域图形、实时功耗和历史曲线。
6.根据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述触摸屏输入模块通过触摸屏设置待测ADC的不同采样频率、输入激励正弦波、电源电压和参考电压，或通过触摸屏设置多个测试步骤，以进行自动化测试。
7.根据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述以太网通信模块包括以太网接口和网络变压器，所述主控板通过以太网接口连接有云端，所述以太网通信模块配合ZYNQ-7000处理器的MAC控制器实现以太网命令解析和与云端之间的数据传输功能。
8.根据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述滤波器模块用于滤除正弦信号中的噪声和谐波，产生纯净的单音信号，滤波器基于不同激励信号输入宽带的需求，替换为低通滤波器或带通滤波器。
9.据权利要求1所述的用于测试高速ADC芯片参数的测试方法，其特征在于，所述耦合方式为变压器耦合或差分放大器耦合，通过继电器切换实现。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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