作者 张曜 孟天奕 陈尚存 合肥工业大学集成电路规划与集成体系专业(安徽合肥230601)
摘要：伴跟着通讯体系对高频率、大带宽以及多通讯方式的需求，模数转化器(Analog-to-DigitalConvertor,ADC)的规划正趋向于高速高精度开展，与此同时也给芯片测验带来了更大的应战。本文依据NIVirtual
Bench硬件渠道，提出了一套主动化测验计划，该测验计划选用码密度直方图法和FFT频谱剖析法完成ADC芯片的静态参数和动态参数的主动化测验。
关键词：ADC测验;Virtual Bench;LabVIEW;码密度直方图法;FFT频谱剖析法
*第二届全国大学生集成电路立异创业大赛NI杯全国特等奖张曜：合肥工业大学集成电路规划与集成体系专业;孟天奕：合肥工业大学集成电路规划与集成体系专业;通讯作者：陈尚存，合肥工业大学集成电路规划与集成体系专业。
0导言
模数转化器是通讯体系的重要组成部分，对通讯体系的开展具有十分重要的含义。近年来，通讯体系对高速高精度ADC的要求越来越高。当有效位数要求超越12位时即进入了高精度ADC的领域，传统的测验办法现已很难习惯要求。
National
Instruments(NI)公司为芯片测验供给了完善的硬件和软件渠道，依据NI公司的产品能够极大地优化测验进程，快捷地得到牢靠的测验成果。本文中，咱们提出了一种运用Virtual
Bench进行ADC参数测验的主动化办法，不仅对ADC的静态参数和动态参数进行了详细地剖析，而且完成了码密度直方图法和FFT频谱剖析法在LabVIEW编程语言中的详细运用。比较于传统的手动测验，主动化测验完成了从鼓励发生输入到呼应收集输出，以及核算出相应参数这一整个流程的全主动化，极大地提高了测验速度和测验准确度，为优化ADC的测验供给了一种新的可能性。NIVB-8012是一款Virtual
Bench多功用一体式仪器，它将具有协议剖析功用的双通道100MHz混合信号示波器、恣意波形发生器、数字万用表、可编程直流电源和数字I/O结合到单个设备中,Virtual
Bench还与Python、LabVIEW等紧密结合，支撑编程操控和主动化测验序列，然后能够轻松完成主动化测验。
1ADC首要参数介绍
表现ADC功能的参数首要分为静态参数和动态参数。静态参数表现了ADC电路在转化时刻内输入信号坚持不变的情况下的作业功能。动态参数表现了ADC电路在动态环境下的功能，因而其测验要求输入信号是时刻的函数。所以与此对应的别离是ADC时域下的静态参数和频域下的动态参数。下面将对这两种参数进行阐明。
1.1静态参数
静态参数描绘的是器材的内涵特性，和器材内部电路的差错相关。静态参数反映ADC的静态差错，即转化器量化直流信号时影响精度的差错。首要的静态参数有：微分非线性和积分非线性。
(1)微分非线性(DifferentialNon-Linearity，DNL)：ADC实践相邻数字码对应的模仿量差值与抱负相邻数字码对应的模仿量差值(即1LSB)之差。
(2)积分非线性(IntegralNon-Linearity，INL)：ADC的数字输出码对应的模仿值和实践的模仿输入值之间的差值[1]。一般咱们比较注重的是微分非线性和积分非线性中的最大值，经过将其与LSB比较来判别ADC是否到达所需精度。
1.2动态参数
ADC动态参数反映了ADC在高速作业条件下的功能，能够经过对输出频谱图进行核算剖析得出。常用的动态功能参数有如下几种：
(1)信号噪声比(SignaltoNoiseRatio,SNR)：简称信噪比，指ADC输出信号功率与量化噪声和电路噪声的总功率的比值。表达式如下：
(2)总谐波失真(TotalHarmonicDistortion,THD)：输入信号与体系一切谐波的总功率比。表达式如下：
(3)信号与噪声失真比(SignaltoNoiseAndDistortion，SINAD)：输入信号和一切输出信号失真功率(包含谐波成分，不包含直流)比。表达式如下：
(4)无杂散动态规模(Spurious-freeDynamicRange，SFDR)：对体系失真进行量化，它是根本频率与杂波信号最大值的数量差。表达式如下：SFDR=6.02×N+1.76+10×log(OSR)其间N为有效位数，OSR为过采样率，核算公式为：OSR=fs/fB。
(5)有效位数(EffectiveNumberofBits，ENOB)：在ADC器材信噪比基础上核算出来的，它将传输信号质量转化为等效比特分辨率。表达式如下：ENOB=[SINAD(dB)-1.76dB]/6.02dB
2主动化测验计划
本文提出的ADC芯片主动化测验计划依据Virtual Bench系列中的VB-8012。关于Virtual
Bench系列仪器，咱们有两种办法完成其主动化测验：
(1)依据LabVIEW的主动化：构建自界说运用程序，以编程办法操控Virtual Bench，避免重复丈量中呈现人为失误，并削减测验时刻。
(2)依据Python的主动化：运用Python为Virtual Bench的各种丈量编写脚本，以验证和测验电子设备。
NI LabVIEW是仪器主动化职业最盛行的体系规划软件。运用图形化开发环境，构建自界说的运用程序，经过编程操控NI Virtual
Bench多功用一体化仪器，能够削减重复丈量中的人为过错并节约测验所需时刻。本文首要是运用LabVIEW来完成测验主动化。
完成测验的主动化，首要依托LabVIEW供给的设备驱动程序和仪器运用程序接口(API)：设备驱动程序与核算机操作体系相配合，可在核算机和Virtual
Bench之间建立起通讯机制;仪器API是一组易于了解的高层函数，在LabVIEW中用于操控仪器并与仪器进行通讯[2]。
运用LabVIEW进行编程，经过初始化、装备仪器、履行操作、封闭设备和过错处理等进程，获取VB-8012测得的数据，并进一步剖析和处理测验数据，然后核算得出ADC的功能参数。以上测验进程，仅需编写好的LabVIEW程序进行操控，完成了ADC的主动化测验。整个主动化测验体系的原理框图如图1。
2.1静态参数测验
码密度直方图测验首要是依据数理核算理论，待测ADC对模仿输入信号进行随机采样，不同数字码输出的呈现次数为码密度。以ADC的输出数字码和相应的呈现次数为坐标作图，所得的图形称为直方图。在直方图上，每个数字码称为码箱，每个数字码呈现的次数为码箱宽度，即码密度。依据相应的码箱宽度就能够估量出ADC的静态参数[3]。
在选定测验信号时为了避免鸿沟值的影响，挑选输入信号为略大于ADC量程的正弦信号。在输入信号频率挑选上有必要满意相干采样原理，使得输入信号的频率与采样频率成互质联系然后契合核算的随机性。在满意上述条件后，能够近似以为ADC的采样是随机的，因而采样输出为随机样本，就能够运用核算学原理来核算相关的静态参数[4]。
下面咱们给出相应的核算公式：
关于本文所需测验的12位ADC来说，要使DNL和INL的差错精度到达0.1LSB的最低置信水平为95%，所以需求采样的样本数[5]为：
得到总样本数后，本规划运用相应数字码的阶跃过渡电压差来得到实践电压，并运用核算公式得到失调电压：
A为正弦波幅值，得到失调电压后，能够得到每个数字码的阶跃过渡电压值：
得到数字码后从而可核算出相应的DNL的值：
其间VF为满量程电压。最终能够经过积分核算得到相应的INL的值：
本文中ADC转化的数字码在LabVIEW程序中以数组的办法存储，依据算法的要求本规划将数组中的数字码以十进制的方式表明出来，核算每一个码呈现的次数即为相应码的码箱宽度，之后可依据公式核算出一切的静态参数。
核算码箱宽度是码密度直方图法中尤为重要的一环，详细程序如图2。先将十进制数组表明的一切输出码进行排序，得到依照输出码从小到大摆放的有序数组。然后将该数组依照码的巨细进行别离，把具有相同码值的元素别离组成新的数组，每一个新数组的元素个数即为不同码值的数字码所对应的码箱宽度。
对咱们所建立的LabVIEW程序框图进行验证，得到运转成果如图3所示。
依据波形图能够发现DNL近似均匀分布于0的两头，而INL则表现出MSB处最大的特性，由此能够判别程序的输出成果正确，而且从详细数值来看ADC到达了相应的精度。
2.2动态参数测验
为了得到ADC的动态参数，在输入端施加正弦信号后，咱们运用VB-8012内的逻辑剖析仪对ADC输出端的数据进行采样，之后进行快速傅里叶变换(FFT)在频域上得到频谱图。
VB-8012取得采样数据并发送到上位机，在LabVIEW程序中调用VB-8012的混合信号示波器(MSO)数字通道VI，能够得到数据波形格局的采样数据，对数据进行开始处理后调用频谱丈量VI进行快速傅里叶变换，从而能够取得信号的功率谱。
依据频谱图，依照界说核算出基波信号重量P1，谐波信号重量PD，噪声功率PN，最大杂波重量功率PS，依据下面的公式[6]核算出相应动态参数：
相应的LabVIEW程序框图如图4所示。
为了验证该程序框图及算法的正确性，咱们运用加入了均匀白噪声的正弦波作为鼓励信号进行程序查验，核算得到的有效位数(ENOB)和其它参数均契合预期，输出的功率谱波形也正确表现了信号功率和噪声功率。关于功率谱剖析需求留意的是，有必要正好收集整数个周期的输入信号，以完成相干采样避免频谱走漏，这反映到频域上就表现为谱线能量十分会集。如图5所示。
3结束语
长期以来高速高功能的ADC首要依托国外进口。跟着国内集成电路技术水平的不断提高，许多ADC现已完成了国产化，怎么愈加有效地完成ADC的测验成为咱们需求注重的问题。本文供给了一种运用NI
Virtual Bench来完成ADC主动化测验的计划，而且给出了LabVIEW程序的部分框图，可供建立ADC主动化测验体系时进行参阅。
参阅文献:
[1]R. Jacob Baker. CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, Second
Edition[M]. WileyIEEE Press, 2004.
[2]National Instruments. 《怎么运用LabVIEW主动运转Virtual Bench》.
https://www.ni.com/tutorial/52110/zhs/. 2014.
[3]薛亮, 沈延钊, 张向民. 一种A/D静态参数和动态参数的测验办法[J]. 仪器仪表学报(第A1期). 2004:771-796.
[4]方穗明, 王占仓. 码密度法丈量模数转化器的静态参数[J]. 北京工业大学学报(第11期). 2006: 977-981.
[5]Maxim Corp. Histogram testing determines DNL and INL errors, application
note 2085.Sunnyvale, USA: Maxim corp, 2003.
[6]朱江. 高精度ADC测验技术研究[J]. 电子与封装(第9期). 2014:9-12,16.
本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2019年第1期第73页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
