作者介紹

一、前言

ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）是電子設(shè)備中至關(guān)重要的組件，它們負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，或者將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。這些轉(zhuǎn)換器的存在形式主要有兩種：一種是作為獨(dú)立的集成電路（IC）芯片，另一種則是作為IP核心或功能模塊內(nèi)嵌于微控制器單元（MCU）等其他類型的芯片中。

不論采取何種形式，ADC和DAC的分辨率都僅由其設(shè)計(jì)架構(gòu)所決定。分辨率是指轉(zhuǎn)換器能夠區(qū)分和表示的最小信號變化，通常以比特?cái)?shù)（bits）來衡量。然而，除了分辨率之外的其他性能參數(shù)，如實(shí)際量程范圍、編碼的均勻性、誤差性能以及高頻響應(yīng)等，都可能會因?yàn)?a target="_blank">半導(dǎo)體制造過程中的微小差異或材料本身的不一致性而與設(shè)計(jì)預(yù)估值存在偏差。

為了確保ADC和DAC的性能符合設(shè)計(jì)規(guī)范，無論是在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段還是在生產(chǎn)出貨階段，對這些轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精度測試都是必不可少的。這些測試不僅能夠驗(yàn)證產(chǎn)品是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且還為可能的進(jìn)一步校正提供了依據(jù)。通過這些嚴(yán)格的測試流程，可以保證電子產(chǎn)品的性能和可靠性，滿足用戶對高質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換的需求。而本文將圍繞如何進(jìn)行這些精度測試而展開介紹。

二、針對ADC測試

我們先以ADC測試為例。在ADC的精度測試中，通常有3種主要的測試方法：斜坡測試（Ramp Test）、動態(tài)性能測試（Dynamic test）以及直方圖測試（Histogram Test）。這三種測試方法雖然在測試激勵信號的設(shè)計(jì)和分析數(shù)據(jù)的手段上有所差異，但它們通?？梢栽谙嗤臏y試硬件環(huán)境下進(jìn)行。

在進(jìn)行這些測試時，選擇合適的測試硬件和軟件工具至關(guān)重要，他們是確保測試結(jié)果準(zhǔn)確、可重復(fù)的關(guān)鍵。此外，測試過程中應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)境條件，如溫度和電源穩(wěn)定性，因?yàn)檫@些因素都可能影響測試結(jié)果。

三、測試環(huán)境基礎(chǔ)

在深入探討3種主要的測試方法之前，我們首先從測試環(huán)境基礎(chǔ)入手，這不僅是因?yàn)樗?種測試都可以共享同一測試平臺，更重要的是，這將有助于我們清晰地追蹤信號的流向，從而更深入地理解測試的全貌。

首先，我們可以把問題簡化，想要對ADC進(jìn)行測試，那么最簡單的方法就是給ADC一個標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓，等待ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，再用一個數(shù)字信號接收器捕獲轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后進(jìn)行處理、運(yùn)算和分析。

首先，我們可以先將問題簡化，以便于理解。一個最簡單的ADC測試配置如下圖所示。其基本步驟是：向ADC提供一個精確的模擬電壓輸入，隨后ADC將這個模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在此之后，我們使用一個數(shù)字信號接收裝置來捕獲轉(zhuǎn)換后的數(shù)字輸出。最后，對這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算和分析，以便準(zhǔn)確評估ADC的轉(zhuǎn)換精度和性能。

圖1：理論上最簡單的ADC測試環(huán)境

這看起來是不是有點(diǎn)過于簡單了？沒錯，接下來我們向該測試平臺補(bǔ)充一些細(xì)節(jié)，以便讓他從理論可行變成實(shí)際工程可行。

首先，考慮到ADC作為一個有源設(shè)備，其運(yùn)作依賴于外部電源。因此，我們的測試系統(tǒng)必須包含一個電源供電模塊，以確保ADC能夠正常工作。此外，對于某些特定的ADC架構(gòu)，它可能還需要一個外部參考電壓輸入，以便在轉(zhuǎn)換過程中與之進(jìn)行比較，從而獲得正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。所以，在測試平臺中，我們可能需要引入一個獨(dú)立的、高精度的參考電壓源。

接下來，為了確保ADC輸出的數(shù)字信號能夠被正確接收和處理，這些信號需要受到時序邏輯的控制。這種時序通常由一個外部時鐘信號來管理，因此，我們的測試平臺還需包括一個能為待測ADC提供參考時鐘源的設(shè)備。值得一提的是，在某些ADC的設(shè)計(jì)中，時鐘信號不僅控制輸出時序，還直接決定了ADC的實(shí)際采樣率和內(nèi)部流水線的處理時序，從而對整體性能產(chǎn)生重要影響。

最后，我們需要一套軟件控制系統(tǒng)來管理各個硬件模塊的輸入和輸出。這套軟件需要確保各個組件之間的協(xié)同工作，以順利完成ADC的測試流程。此外，軟件還需要對獲取到的ADC輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算和分析，通過這些分析，最終可以準(zhǔn)確地獲得我們關(guān)注的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果。

目前，我們已經(jīng)構(gòu)建了一個實(shí)際可行的測試平臺架構(gòu)，如下圖所示。在測試功能更加復(fù)雜的ADC時，我們可能還需要增設(shè)額外的數(shù)字信號輸出設(shè)備。其用途是將配置信號、觸發(fā)信號或其他控制指令發(fā)送給ADC，以便對特定模式或功能下的精度性能進(jìn)行詳盡的測試。

圖2：一個基礎(chǔ)且實(shí)際可行的ADC測試平臺架構(gòu)

四、斜坡測試（Ramp Test）

斜坡測試，又稱鋸齒波測試，是利用單個或多個斜坡組合形成的鋸齒波信號作為輸入激勵，以此對ADC進(jìn)行精度評估。在該測試中，為了全面評估待測ADC的性能，通常需確保在每個最低有效位（LSB）的區(qū)間內(nèi)，至少有一個激勵信號電壓點(diǎn)。當(dāng)每個LSB范圍內(nèi)激勵信號電壓點(diǎn)數(shù)只有1~2個時，可能僅可以確認(rèn)增益誤差（Gain Error）、失調(diào)誤差（Offset Error）這樣的宏觀參數(shù)；LSB范圍內(nèi)點(diǎn)數(shù)足夠多時，才能深入分析以確定轉(zhuǎn)換編碼的跳變電壓點(diǎn)，從而算出其積分非線性（INL）、微分非線性（DNL）性能數(shù)據(jù)，以及判斷是否有丟碼（Missing Code）現(xiàn)象。

圖3：斜坡測試結(jié)果示例

從精度角度看，單個信號斜坡內(nèi)包含的電壓點(diǎn)數(shù)量越多，理論上能夠提供更為精確的測量結(jié)果。然而，實(shí)際上存在兩個主要的限制因素：首先，電壓點(diǎn)之間的最小間隔受到信號源精度的制約，這意味著信號源必須具有足夠的分辨率來生成非常接近的電壓步進(jìn)；其次，電壓點(diǎn)數(shù)量的增加會直接導(dǎo)致測試時間的延長，這可能會影響測試效率，因而，在實(shí)際的斜坡測試中，需要在測量精度和測試速度之間找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。

另外，在實(shí)際執(zhí)行測試時，我們通常建議將斜坡信號的最大和最小值設(shè)定得稍微超出待測ADC的標(biāo)稱量程。這樣做有助于準(zhǔn)確地確定ADC的實(shí)際量程界限。例如，對于一個設(shè)計(jì)量程為0至+5 V的ADC，其實(shí)際量程可能略有不同，比方說-0.01至+5.01 V。在這種情況下，測試時可以應(yīng)用一個最小值為-0.05 V，最大值為+5.05 V的斜坡信號。在測試結(jié)果的分析階段，可以通過特定的算法識別并排除超出實(shí)際量程的測試點(diǎn)，這些算法能夠確保超出范圍的點(diǎn)不會對各靜態(tài)參數(shù)的分析結(jié)果產(chǎn)生不利影響。這種做法也有助于更精確地評估ADC的性能，并確保在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。

總的來說，斜坡測試對模擬電壓生成設(shè)備的分辨率和精度參數(shù)提出了較高的要求。這種模擬電壓生成設(shè)備通常由任意波形發(fā)生器（AWG）充當(dāng)，它們能夠提供精細(xì)的電壓步進(jìn)，以確保在待測ADC的每個LSB范圍內(nèi)都有足夠的測試電壓點(diǎn)，從而準(zhǔn)確評估待測件的增益誤差、失調(diào)誤差、INL、DNL等關(guān)鍵靜態(tài)性能指標(biāo)。此外，也正如上面所提到，AWG的輸出范圍還應(yīng)該稍稍大于待測ADC的標(biāo)稱量程。

五、動態(tài)性能測試（Dynamic test）

動態(tài)測試是一種利用正弦波信號作為激勵，對ADC進(jìn)行頻率響應(yīng)特性評估的方法。在此測試中，ADC的轉(zhuǎn)換輸出會經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）處理，以便在頻域內(nèi)進(jìn)行分析。通過這種分析，可以獲得關(guān)鍵的動態(tài)性能參數(shù)，包括信號噪聲及失真比（SINAD）、有效位數(shù)（ENOB）、總諧波失真（THD）以及無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。這些參數(shù)對于評估ADC在處理變化信號時的性能至關(guān)重要，特別是在音頻、通信和測量等領(lǐng)域，其中信號的頻率成分和動態(tài)范圍對系統(tǒng)整體性能有著決定性的影響。

圖4：動態(tài)性能測試結(jié)果示例

由于FFT算法的要求，測試數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)量通常需要是2的整數(shù)次冪。如果采樣點(diǎn)數(shù)量不滿足這一條件，可能需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行切割處理，以符合FFT算法的要求。同時，為了減少頻譜泄露現(xiàn)象并避免在頻域結(jié)果中產(chǎn)生不必要的旁瓣和諧波，我們強(qiáng)烈建議測試信號段包含整數(shù)個周期的正弦波信號。為了滿足這一條件，有時需要對AWG的輸出頻率進(jìn)行微調(diào)。例如，在執(zhí)行10 kHz頻率點(diǎn)的測試時，可以將頻率略微調(diào)整至9.97 kHz，以確保在整個測試信號段中包含整數(shù)個周期的正弦波，這種微調(diào)可以有效地提高頻域分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

在設(shè)置AWG輸出的正弦波幅值時，應(yīng)遵循一個基本原則：“寧缺毋濫”，也就是說，需要確保輸出幅值不超過待測ADC的實(shí)際量程，而ADC實(shí)際量程是有可能比標(biāo)稱量程更窄的。這一原則的目的是為了避免ADC在信號轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。當(dāng)信號飽和時，輸出信號會被“削波”（clipping），這種現(xiàn)象會在信號經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)換后導(dǎo)致頻譜失真，并降低信噪比。在這一點(diǎn)的考慮上，與斜坡測試時略有不同，需要注意區(qū)分。

在動態(tài)測試中，會對AWG的輸出采樣速度和時鐘精確度有較高的要求。同時，AWG的高速輸出與ADC的高速采集必須精確同步，以避免在ADC轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生AWG輸出跳變，進(jìn)而影響測試結(jié)果。這對測試平臺中的時鐘控制模塊和平臺整體的軟硬件控制提出了更為嚴(yán)格的要求。

六、直方圖測試（Histogram Test）

直方圖測試是ADC精度測試中的一個常用手段，其核心在于對統(tǒng)計(jì)域數(shù)據(jù)的分析和處理。這種方法與斜坡測試相似，都旨在評估ADC的靜態(tài)特性參數(shù)。通過對ADC輸出進(jìn)行大量采樣，并繪制數(shù)據(jù)分布的直方圖，可以直觀地觀察到量化誤差的分布情況，從而對ADC的線性度、增益誤差、偏移誤差等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行定量分析，除此之外，我們還可以通過檢查是否存在編碼頻次為零的情況來找出丟碼現(xiàn)象。為了確保統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可靠性，有時需要進(jìn)行多輪循環(huán)測試，并將各輪的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行疊加，以便獲得更穩(wěn)定和可信的數(shù)據(jù)分析。

圖5：直方圖測試原理示例

從測試輸入信號的類型角度說，直方圖測試和斜坡測試都可以采用鋸齒波信號進(jìn)行測試，然而，直方圖測試更為靈活，也接納三角波、正弦波等其他信號類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。值得注意的是，當(dāng)使用正弦波進(jìn)行直方圖測試時，由于正弦波在ADC每個LSB范圍內(nèi)的出現(xiàn)概率并不均勻，因此需要通過額外的算法來進(jìn)行概率密度函數(shù)的均衡化處理。經(jīng)過這樣的補(bǔ)償后，才能準(zhǔn)確比較不同碼寬的偏差，從而對ADC的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估。也正因?yàn)槭褂谜也ㄟM(jìn)行測試時會引入額外的計(jì)算復(fù)雜性，我們通常不建議使用正弦波等電壓分布不均勻的波形進(jìn)行直方圖測試，以免增加測試的難度和不必要的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

從測試信號的幅值來說，直方圖測試與斜坡測試相似，均要求使用AWG產(chǎn)生信的幅值略高于ADC的標(biāo)稱量程。這一做法的目的是確保測試能夠涵蓋ADC的全部編碼范圍，即從最小到最大值。然而，這種做法的一個副作用便是導(dǎo)致最小編碼和最大編碼的出現(xiàn)頻率異常增加。為了獲得更易于分析和觀察的直方圖結(jié)果，通常會將這兩個極值編碼點(diǎn)排除在外，從而減少極端值對整體性能評估的影響。

直方圖測試與斜坡測試在測試條件和方法上存在一定的相似性，它們所關(guān)注的參數(shù)也有部分重合。因此，在實(shí)際的測試實(shí)踐中，可以采用一種更為高效的策略：使用單一的鋸齒波信號進(jìn)行測試，然后對采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行斜坡測試和直方圖測試的分析。這種做法的優(yōu)點(diǎn)在于，它能夠簡化測試流程，并顯著減少測試所需的時間，提高測試的效率。此外，這種方法還有助于減少對測試設(shè)備的磨損，延長其使用壽命。

七、針對DAC測試

在掌握了ADC測試的相關(guān)知識后，將這些概念擴(kuò)展到DAC的測試領(lǐng)域是相當(dāng)直接的。與前面類似，我們可以先把問題簡化。一個最簡單的DAC測試配置如下圖所示。

圖6：理論上最簡單的DAC測試環(huán)境

我們不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)只需要把ADC測試中的數(shù)據(jù)流動方向反轉(zhuǎn)，即可應(yīng)用于DAC的測試。具體來說，我們會使用數(shù)字信號設(shè)備來輸出激勵信號，同時利用模擬信號采集設(shè)備來捕獲DAC產(chǎn)生的模擬輸出。而這種測試配置的轉(zhuǎn)變，自然導(dǎo)致了硬件需求上的顯著變化。

首先，對于數(shù)字信號設(shè)備，其角色從接收輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃虞敵鲂盘?。這意味著，我們需要一個能夠產(chǎn)生精確、可控?cái)?shù)字信號的設(shè)備，如一個高精度的數(shù)字信號發(fā)生器。

其次，在模擬信號一側(cè)，原本用于輸出信號的AWG被替換為用于采集信號的數(shù)字化儀，也稱為WFD（Waveform Digitizer）。這類設(shè)備能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便進(jìn)行后續(xù)的信號處理和分析。

同樣地，面向DAC的精度測試，也有斜坡測試、動態(tài)性能測試以及直方圖測試三種常見方法。這些測試的基本原理與前面所說的，應(yīng)用在ADC測試時類似，關(guān)注的參數(shù)也大致相同。也即是說，還是通過斜坡測試和直方圖測試評估DAC的靜態(tài)特性，而動態(tài)性能測試則用于測量其動態(tài)特性。

值得一提的是，在進(jìn)行DAC測試時，輸入輸出量程的處理相對簡單。無論采用哪種測試方法，數(shù)字信號發(fā)生器只需將其輸出碼型與DAC的輸入編碼范圍一一對應(yīng)即可。此外，用于采集數(shù)據(jù)的WFD的量程應(yīng)確保略大于DAC的設(shè)計(jì)輸出范圍，以便能準(zhǔn)確捕捉到所有的輸出信號。

八、結(jié)論

綜上所述，ADC和DAC的精度測試需要使用不同硬件構(gòu)建平臺，此外，根據(jù)所選測試方法的不同，軟件和硬件的具體要求可能會有所變化。因此，筆者建議最好能夠選擇一個具有較高功能靈活性，且保證自身精度的軟硬件平臺，以同時滿足多種測試需求。這樣做不僅可以確保通過多種測試方法獲得準(zhǔn)確可靠的測試結(jié)果，還可以避免在待測芯片或測試方案發(fā)生變化時，需要重新采購測試設(shè)備的尷尬情況。

推薦使用的平臺之一是德思特ADC/DAC測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)將所有必要的硬件集成于一個機(jī)箱內(nèi)，包括數(shù)字輸入/輸出（DIO）和時鐘發(fā)生模塊、AWG模塊、WFD模塊、供電電源模塊以及參考電壓源模塊。在軟件方面，該系統(tǒng)同樣能夠支持ADC和DAC的斜坡測試、動態(tài)性能測試以及直方圖測試。用戶只需進(jìn)行簡單的測試方案配置，即可一鍵啟動測試并直接獲得最終參數(shù)結(jié)果，無需進(jìn)行額外的編程控制或數(shù)據(jù)處理。這種集成化設(shè)計(jì)不僅提高了測試效率，也大幅降低了用戶的使用門檻。

圖7：德思特ADC/DAC測試系統(tǒng)

關(guān)于德思特

德思特是原虹科測試測量事業(yè)部孵化出來的獨(dú)立公司，基于超過10年的業(yè)務(wù)沉淀，德思特公司專注提供電子測試/測量解決方案。主要業(yè)務(wù)范圍涵蓋：汽車電子仿真及測試、射頻微波及無線通信測試、無線頻譜監(jiān)測與規(guī)劃、無線通信（包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車無線通信、軌道交通、衛(wèi)星通信、室內(nèi)無線通信）、半導(dǎo)體測試、PNT解決方案、大物理和光電測試等。

核心成員具有9年以上的測試測量、無線通信及其他相關(guān)行業(yè)資歷；技術(shù)團(tuán)隊(duì)獲得世界五百強(qiáng)PNT解決方案合作伙伴Safran的GNSS技術(shù)及信號仿真和軟件Skydel培訓(xùn)認(rèn)證證書、航空航天測試和測量合作伙伴Marvin Test 的自動化測試軟件ATEasy培訓(xùn)認(rèn)證證書。

德思特研發(fā)部，核心成員獲得國際項(xiàng)目管理師PMP認(rèn)證資質(zhì)，并具備LabVIEW、python等多種編程語言能力，優(yōu)勢能力集中于：HIL測試，半導(dǎo)體測試，EOL測試和質(zhì)量檢測等多種系統(tǒng)研發(fā)集成，擁有10多個實(shí)用新型和專利授權(quán)。

圍繞汽車電子、射頻微波、通信、航空航天等行業(yè)提供專業(yè)可靠的解決方案，現(xiàn)有客戶包括華為、德賽西威、蔚來汽車、理想汽車、航天科工集團(tuán)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中電科集團(tuán)等。

此外，我們還是中國無線電協(xié)會、中國通信企業(yè)協(xié)會、雷達(dá)行業(yè)協(xié)會、RIS智能超表面技術(shù)協(xié)會等行業(yè)協(xié)會的會員。

審核編輯 黃宇