摘要：受到現(xiàn)有測試設(shè)備的限制，高精度的D／A轉(zhuǎn)換器(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)測試一直是混合信號(hào)測試中的難點(diǎn)，本文探討了高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA C)測試的一種新方法。該方法通過在微弱被測電平上疊加參考正弦波，測試疊加后波形的過零點(diǎn)在時(shí)域上的分布情況，以了解DAC的靜態(tài)特性參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用了現(xiàn)有ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的速度優(yōu)勢，原理簡單，且易于實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)模轉(zhuǎn)換器；積分非線性；差分非線性；過零點(diǎn)

0 引言
    隨著科技的日益發(fā)展，DAC轉(zhuǎn)換精度越來越高，為了測試高精度DAC的性能，需要輔以分辨率更高的數(shù)字化ADC。然而，高精度的顯示設(shè)備在一般實(shí)驗(yàn)條件下很難獲得。因此，如何利用低分辨率的ADC有效評(píng)估高精度的DAC，成為測試行業(yè)亟待解決的問題。一些文獻(xiàn)中提出過采樣技術(shù)、抖動(dòng)技術(shù)等方法，探討減小ADC的量化誤差來提高ADC的分辨率進(jìn)而測試高精度DAC，但是這些方法都存在著一定的局限性。比如，當(dāng)微弱信號(hào)的幅值低于最小ADC步長即LSB時(shí)，過采樣技術(shù)無效；采用抖動(dòng)技術(shù)也需要外加模擬電路，增加了測試成本和復(fù)雜程度。
    D．L．Carni等在文獻(xiàn)中提出了一個(gè)切實(shí)可行的方案，采用一個(gè)“純”的正弦波作為參考信號(hào)，將其與待測DAC的輸出電平疊加，通過分析結(jié)果信號(hào)在時(shí)域上的過零點(diǎn)分布情況，得出靜態(tài)參數(shù)DNL(差分非線性)、INL(積分非線性)的值。這個(gè)方法從一定程度上解決了低精度測試高精度的問題，但是不足之處在于該方法的時(shí)間成本較高，對(duì)于很高精度的DAC，測試耗費(fèi)的時(shí)間可能很長。
    本文在過零檢測的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的測試方法，得到n位DAC的靜態(tài)參數(shù)INL、DNL值。這種方法通過改進(jìn)參考信號(hào)來比較DAC的輸出和參考信號(hào)的輸出，不但使低精度ADC可以有效測試高精度DAC，更重要的是縮短了測試時(shí)間，降低了測試成本。

1 基于過零檢測的DAC靜態(tài)測試
1．1 低精度ADC不能直接用來測試高精度DAC的原因
    對(duì)于DAC的靜態(tài)測試，通常測試DNL、INL這兩個(gè)參數(shù)值，方法是輸入代碼k，k=0，1，2…2n-1。得到DAC輸出的電平值Vk。計(jì)算DNL、INL的公式如下：
   
   
    假如用精度低于DAC的ADC對(duì)其直接測試，如圖1所示，由于低精度ADC引入的量化誤差q(k)，我們無法分辨輸入代碼k和k-1對(duì)應(yīng)的確切電壓值。這種情況下的靜態(tài)參數(shù)測試就失去了意義。

1．2 過零檢測
    過零點(diǎn)檢測法是一種經(jīng)典的調(diào)制域分析方法，它通過記錄過零點(diǎn)的時(shí)間得到過零點(diǎn)的時(shí)間間隔，可以用于識(shí)別精度低于ADC步長的微弱信號(hào)。圖2簡要地描述了測試系統(tǒng)框圖：待測DAC輸出的電壓Vk，校準(zhǔn)儀提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考正弦波f(t)=Asin(ωt+φ)，將直流電壓Vk加在參考正弦波上，將結(jié)果信號(hào)輸入高速ADC。即：
   

    式(4)在時(shí)域圖上的表現(xiàn)如圖3所示。

    圖中，虛線表示標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)f(t)=Asin(ωt+φ)，實(shí)線為疊加之后的信號(hào)，可以看出，tk1、tk2、tk3時(shí)刻為過零點(diǎn)，Vk的大小由△tk決定。△tk的值可以通過測量過零點(diǎn)tk1、tk2、tk3得到，Vk的表達(dá)式可以推導(dǎo)如下：
   
    其中，Nc為在時(shí)間間隔△tk內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，fs為設(shè)置的ADC的采樣率。
1．3 測試方法的弊端
    利用以上方法，可以得到DAC輸出電壓的值Vk，進(jìn)而求出靜態(tài)參數(shù)DNL、INL的大小。需要關(guān)注的是：為了得到過零點(diǎn)序列，參考正弦波的幅值A(chǔ)必須大于DAC的滿量程電壓范圍；同樣由式(5)得到ADC的最低采樣率：
   
    △V幅值分辨率，通過式(6)可以看出：為了確保測試的準(zhǔn)確性，△V應(yīng)該盡可能地小，并且在其他條件不變的情況下Nc的值越大越好。因?yàn)檫@種方法的本質(zhì)在于將幅度上的高精度測試轉(zhuǎn)移到時(shí)間上來。因此采樣率越高，測量結(jié)果越準(zhǔn)確，但是采樣率與測試設(shè)備息息相關(guān)，不可能無限制提高。這種情況下，如果沒有設(shè)備能夠提供足夠高的采樣率，那么只能降低信號(hào)頻率f。但是降低信號(hào)頻率f將帶來另一個(gè)問題，就是測試時(shí)間的成倍增加。
    在文獻(xiàn)中作者曾對(duì)16位且幅值為±10V的DAC進(jìn)行了實(shí)測，采用泰克TDS7404B數(shù)字示波器作為采集信號(hào)用的ADC。其主要參數(shù)為：8位分辨率、20GS／s的最高采樣率。設(shè)置△V=LSB／40，Nc=5，正弦波頻率f=100Hz，幅值A(chǔ)=11V。通過式(6)得到的采樣率高達(dá)5GS／s。每次測10個(gè)Vk對(duì)其做平均，這樣每測一個(gè)Vk花費(fèi)的時(shí)間是0．1s，即便擁有這樣的超高采樣率的設(shè)備，完整地測一個(gè)16位的DAC所需要的時(shí)間也至少需要兩個(gè)小時(shí)。

2 提出的方法
    從降低測試時(shí)間的角度考慮：首先，從圖3中可以看到，利用正弦波作為參考波形至少需要3個(gè)過零點(diǎn)才能得到DAC的輸出電壓值，其次，為了降低檢測每個(gè)過零點(diǎn)所需要的時(shí)間，最直接的方法就是提高參考信號(hào)的頻率f，但是由于設(shè)備條件的限制，采樣率fs不能再提高。從式(6)中可以看出，Nc、△V都是約定值，不可變動(dòng)，唯一能改變的就是參考正弦波幅值A(chǔ)，但A的最小值也受到限制，因?yàn)橐坏〢小于被測DAC的量程范圍，DAC中大于A的輸出電壓將無法測得。實(shí)際上，A的限制是因?yàn)槲覀冃枰獪y試每一個(gè)代碼對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。

    但事實(shí)上，我們并不需要測試每一個(gè)Vk。對(duì)靜態(tài)測試而言，主要是了解被測DAC的線性度，如圖4所示。影響DNL的主要是相鄰兩個(gè)輸入代碼的輸出電平幅值之差與理想步長之間的偏差，即Vk+1-Vk與LSB之差。將DNL、INL的計(jì)算公式適當(dāng)變化如下：
   
    由圖4和式(7)、(9)可以看出，只要知道輸入代碼的實(shí)際電壓與理想電壓的差值，一樣能計(jì)算出DAC的靜態(tài)參數(shù)。
    基于以上認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)了如下的測試系統(tǒng)架構(gòu)模型。

    設(shè)參考鋸齒波的信號(hào)f(x)*δT(x)，其中：
   
     參考斜坡的信號(hào)可以表示為：，[]為取整函數(shù)。
    令DUT產(chǎn)生的信號(hào)為g'(x)，經(jīng)過疊加的均勻抖動(dòng)上升的鋸齒信號(hào)為f(x)*δT(x)+g(x)，ADC采集的信號(hào)就是f(x)*δT(x)+g(x)-g'(x)。顯然，g(x)-g'(x)的值代表了△Vk的大小，而△Vk很小，低精度的ADC是無法將其反映出來的。通過借助參考鋸齒波形在時(shí)域上的過零點(diǎn)分布卻能夠表達(dá)出來。
    如果被測DAC表現(xiàn)出完美的靜態(tài)特性，那么ADC會(huì)恢復(fù)出參考鋸齒波信號(hào)，如果一旦被測DAC的輸出電壓Vk與理想值存在偏差(如圖4)，則會(huì)在時(shí)域圖上明顯地反映出來，如圖6所示。

    圖中△Vk代表了在輸入代碼為k時(shí)，實(shí)際測量電平與這一點(diǎn)的理想電平的差值，虛線代表參考鋸齒波信號(hào)，實(shí)線表示被測DAC與參考信號(hào)的差分信號(hào)。用一個(gè)雙通道的ADC同時(shí)對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行采集，通過檢測過零點(diǎn)，得到△tk、△tk+1的值，不難看出：
   
    N代表鋸齒波一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)，A表示鋸齒波的幅值，然后有：
   
    結(jié)果證明，在上述方法中，知道鋸齒波的幅值以及△tk內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)Nc，便可得到△tk的值，在這種方法中，并不需要知道每一個(gè)Vk的值，也可以輕松地獲得DNL和INL的值。

3 仿真實(shí)驗(yàn)
    為了驗(yàn)證此方法的可靠性，本文采用Labview虛擬儀器進(jìn)行仿真測試。仿真中采用8位DAC產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的斜坡波形和鋸齒波形，將兩種信號(hào)的加法形式作為參考波形，設(shè)置隨機(jī)白噪聲點(diǎn)逐點(diǎn)加到標(biāo)準(zhǔn)斜坡波形上，使得LSB的范圍限制為，以便用程序計(jì)算出實(shí)際仿真的DNL和INL的大小。程序的最終目的在于，將提出方法測試所得的結(jié)果和真實(shí)計(jì)算結(jié)果的偏差做一個(gè)比較。
    通過編寫測試程序，可以得到以下規(guī)律：
    (1)ADC的采樣率越高，實(shí)際測試得到的DNL和INL會(huì)更加接近真實(shí)的計(jì)算結(jié)果；
    (2)參考鋸齒波的幅值越小，測試的結(jié)果會(huì)越精確；
    (3)ADC位數(shù)與測試精度幾乎沒有關(guān)系。
    需要注意的是，增加采樣點(diǎn)數(shù)會(huì)使測試時(shí)間增加，因此ADC的采樣率不可以無限制提高，但是可以根據(jù)測試的實(shí)際情況對(duì)其作最佳評(píng)估。關(guān)于幅值的設(shè)定，其最低值必須使得每個(gè)差分鋸齒波都有過零點(diǎn)。然后設(shè)置程序來比較標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波的過零點(diǎn)和差分鋸齒波的過零點(diǎn)數(shù)，當(dāng)兩者不同時(shí)，程序中的指示燈報(bào)警。
    在仿真測試中，設(shè)置DAC范圍為10V，幅值為80mV；產(chǎn)生的斜坡中，每個(gè)輸入代碼重復(fù)100次，設(shè)置采樣率為1k，采集256000個(gè)點(diǎn)。設(shè)置ADC的分辨率為2位。得到結(jié)果如圖6所示。

    通過比較圖6中兩個(gè)波形的過零點(diǎn)之間的采樣數(shù)，比較最終得到的INL值與計(jì)算所得INL值：圖7 a．實(shí)際的INL值，b．用本方法測得的INL值。

4 結(jié)束語
    本文對(duì)高精度DAC的動(dòng)態(tài)測試提出了新的評(píng)估方法，這個(gè)方法通過比較參考鋸齒波與實(shí)際得到的鋸齒波在時(shí)域上的過零點(diǎn)，精確地獲得了DAC的靜態(tài)參數(shù)INT、DNL的值。并且在Labview仿真測試系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明了此方法的有效性和實(shí)用性。