高精度ADC测试研究

张亭亭 廖勇 马骁

摘要：数字信号处理技术飞速发展，系统分辨率不断提高，对高精度、高性能的ADC芯片需求愈发迫切。性能的提高使得对ADC的全面测试也越发困难。文章针对一款16位8通道高精度ADC，从器件原理分析、模拟输入端设计、相干采样计算方面进行分析。基于Ultra Flex自动测试平台，本研究完成了对该芯片较为全面的测试评估，取得了较为理想的结果。本研究可为ADC测试提供工程解决方案，可供芯片测试人员参考。

关键词：ADC；自动测试系统；动态性能；评估

中图分类号：TN407  文献标志码：A

0 引言

在信息时代背景下，数字信号处理技术发展迅猛，但数字处理系统无法直接处理模拟信号。ADC作为模拟和数字世界的桥梁，可将现实世界物理量的模拟信号转换为数字信号，以便后端数字系统进行相应处理［1］。模拟电子信号处理链如图1所示。

近年来，随着电子系统的分辨率和精度不断提高，系统对ADC的精度提出了更高的要求。为保障系统的稳定性和有效性，ADC在装机前必须经过测试并给出详细说明，以便设计师根据ADC的实测性能来确定系统的需求及使用条件［2］。鉴于此，本文基于Teradyne Ultra Flex测试平台，对ADI生产的一款多通道16 bit ADC进行了相应的测试评估工作，并给出了关键电路设计及相应的静态误差参数和动态性能测试结果，可供设计师及从事芯片测试开发人员参考。

该芯片具有16 bit分辨率，8通道同时采样转换功能。功能如图2所示。

该芯片主要由模拟输入箝位保护、二阶混频滤波器、跟踪保持放大器、16 bit电荷再分配逐次逼近型模数转换器、数字滤波器、基准源、基准电压缓冲器以及高速串行和并行接口组成。该芯片性能优秀，在5 V单电源供电条件下，可处理±5 V和±10 V双极性模拟输入信号。其模拟输入阻抗不随采样频率变化，恒定为1MΩ，此特性大大降低了模擬输入端的设计难度。此外，该芯片还具有过采样调节功能，在特殊应用条件下，可以牺牲采样速率为代价，提升信噪比。

1 测试方案

基于测试平台，充分利用其资源。总体方案如下：该芯片功耗较低，在最大采样率下工作电流不足30mA，因此可选择测试系统的DC30电源通道提供芯片所需的数字及模拟电源电压。数字控制引脚及数据输出引脚连接至测试系统数字通道。利用数字通道驱动控制引脚至合适电平，配置ADC为合适的状态。数据输出由系统数字通道的DSSC俘获并存储方便后续处理计算。

至于模拟输入端，测试系统具备8路单端模拟信号输出通道，能满足芯片8通道同时测试需求，但测试系统自带的模拟信号板卡在单端输出模式下最大只能提供5 Vpp模拟信号，直接应用无法满足该芯片±10 V测试需求。因此，本文采用放大电路先将测试系统提供的信号进行放大，然后再提供给芯片模拟输入端的方式。采用运放同相放大电路，综合考虑测试系统能力以及芯片测试条件，选择放大倍数为5，运放芯片选择ADI公司生产的AD845。该芯片采用±15 V双电源供电，输出摆幅大于±12.5 V，输入失调电压0.25mV，建立时间350 ns，压摆率100 V/μs，20 Vpp条件下满功率带宽1.75MHz。待测ADC芯片最大采样率200 kHz，测试模拟输入信号频率1 kHz，信号最大幅度20 Vpp（±10 V）。运放AD845完全能满足测试需要。设计完成的运放放大电路如图3所示。

其中，VS1+，VS1-由测试系统电源通道提供±15 V电源，IN1端由SMA接头连接至测试系统模  拟信号第一通道输出端（采用单端输出），运放输出端V1连接至被测芯片第一通道模拟输入端。如图3所示，电阻R1=R13=20 K，R3=R9=4 K，同相放大电路放大倍数由式（1）计算。

V1=VIN1×R13R13+R9×（1+R1R3）（1）

实际测试时根据所选满量程及放大倍数设置系统模拟信号幅值即可。

2 结果分析

2.1 静态性能

静态参数主要包括微分非线性误差（DNL）、积分非线性误差（INL）、增益误差（EG）以及零点误差（EZ）。针对ADC静态参数，一般采用码密度直方图的测试方法［3-4］，该方法已非常成熟，并作为标准测试方法为各大厂商所采用，此处不再详述其原理。在该方法中，模拟输入信号可采用低频正弦或者斜波信号。若采用正弦信号，在整个ADC输入范围内，电压非均匀分布。因此，各转换码值出现的概率并不相等，这无疑增大了参数的计算难度。而斜波信号在ADC整个输入范围电压呈均匀分布，理论上各转换码值出现的概率相等，因而方便计算。因此，本文采用斜波测试法进行静态参数测试。

在实际测试中，设置芯片采样率为200 KSPS，每个code值取32次，8通道共计16M数据。测试系统俘获输出码值拟合曲线如图4所示。由图4可知，ADC转换曲线正常，无异常毛刺或凸起。DNL曲线如图5所示，可见DNL值多分布于-0.45～0.45区间，少数值超出该范围，最大值在0.7 LSB左右，相比器件说明书datasheet（以下简称《手册》）提供的典型DNL曲线图略差，但也满足手册中-0.99 LSB～+0.99 LSB的要求。

INL曲线如图6所示。INL曲线为DNL积分所得，其值分布于-1.7～+0.5，满足手册±2 LSB要求。静态参数测试结果如表1所示，其中EG+、EG-分别表示双极性输入信号下的正满量程误差和负满量程误差。

2.2 动态性能

ADC动态参数一般包括信噪比（SNR）、信纳比（SINAD）、无杂散动态范围（SFDR）、总谐波失真（THD）等频域参数［5］。ADC的动态测试通常采用基于DSP技术［6］的频域测试方法。即在时钟同步条件下，对数据进行相干采样，利用快速傅里叶变换（FFT）得到频谱，根据频谱信息计算相应动态指标［7-8］。

快速傅里叶变换（FFT）要求采样点数必须为2的整数次幂，因此可取采样点数为65 536。依据手册输入模拟信号频率为1 kHz。按照相干采样理论，计算公式如式（2）所示。

FSN=ftM（2）

其中，Fs为采样频率，实际测试采用200 KSPS，N为采样点数，ft为模拟信号频率，M为频谱Bin，也是实际测试系统输出完整正弦波数量。将Fs=200 kHz，N=65 536，ft=1 kHz代入式（2），可得M=327.68，基频f0=FS/N=3.052 Hz。M必须为整数，且M、N为互质数。因此，可取M=329，此时输出频率ft=M×f0=1.004 028 320 312 kHz。在实际测试中，正弦信号按此条件设置信号频率，幅度设置为-1 dBFS。图7为200 KSPS采样频率，65 K采样点条件下输出信号时域图（图中仅显示前4 096采样点）。信号频谱如图8所示。

由图8可知，输出信号频谱较好，谐波主要集中在前4阶，杂散和高阶谐波较少，噪底稳定在较低水平。经进一步计算主要动态参数值，如表2所示。

由表2数据可见，各通道测试值无明显差异，一致性较好。实际测试值与手册参数表给出的典型值较为符合。测试程序较好地反映了芯片的实际性能。

该芯片还具备过采样调节功能，过采样倍数由引脚OS［2∶0］状态控制，具体如表3所示。若选择过采样倍率为8，则芯片在下一个转换信号上升沿采集各通道的第一个样点，一个内部产生的采样信号采集所有通道的剩余7个样点，然后对这些样点取平均值，从而改善了SNR性能。

選择任意通道对过采样性能进行测试。按照手册要求，输入信号频率为130 Hz，信号幅度为-1dBFS。当设置为16倍过采率时，最大采样率为12.5 kHz。按照式（2）进行相干采样计算，选择采样率12.5 kHz，采样点数为65 536，频谱bin M选择683，则输入信号频率为130.271 9 Hz。最终得出测试结果如表4所示。

图9为±10 V输入，16倍过采样率下的输出频谱图。对比图9和图8可知，开启过采样后，输出频谱噪底明显下降，高阶谐波和杂散稍有增大，SNR明显改善。总体而言，该芯片性能优秀，实际测试值均满足手册指标要求。

3 结语

本文研究了基于ATE测试系统的高精度ADC的测试，提出了测试系统指标不满足测试要求情况下的解决方案，给出了主要电路设计及实际相干采样计算方法，较为完整地完成了一款多通道高精度ADC的测试评估。本研究为基于ATE测试高精度ADC提供了解决方案，可供从事芯片测试开发人员参考，具有一定的工程应用价值。

参考文献

［1］周淑千，陈铁兵.集成电路产业发展现状与趋势展望［J］.新材料产业，2019（10）：8-12.

［2］ADI大学计划.ADI高速设计技术［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［3］BURNS M，RDBERTS G W.混合信号集成电路测试与测量［M］.北京：电子工业出版社，343-347.

［4］方穗明，王占仓.码密度法测量模数转换器的静态参数［J］.北京工业大学学报，2006（11）：977-981.

［5］谢鹏.高速ADC器件的动态测试技术研究［J］.电子元器件应用，2009（9）：82-83.

［6］MAHONEY M. DSP-based testing of analog and mixed-signal circuits［M］.Washington，D. C.： IEEE Computer Society Perss，1987.

［7］邓若汉，余金金，王洪彬，等.基于Lab VIEW的ADC综合性能测试系统［J］.科学技术与工程，2012（19）：4653-4658.

［8］KESTER W. Understand SINAD，ENOB，SNR，THD，THD+N，and SFDR so you dont get lost in the noise floor［J］.Analog Devices，2009（6）：5-16.

（编辑 王永超）

Research on test method of high precision Analog-to-Digital converter （ADC）

Zhang  Tingting， Liao  Yong， Ma  Xiao

（Defense Technology Research and Test Center of China Aerospace Science & Indμstry Corp， Beijing 100854， China）

Abstract：  With the rapid development of digital signal processing technology and the improvement of the resolution of electronic system， the demand of high-precision and high-performance ADC is becoming more and more urgent. Development of performance also make it difficult to evaluate an ADC. In this paper， a 16-bit 8-channel high precision ADC is analyzed from device principle， analog input design and coherent sampling calculation. A comprehensively test and evaluation is completed and satisfactory results are obtained based on Ultra Flex Automatic Test system. The study of this paper can provide engineering solutions for ADC testing and can be used as reference for test engineer.

Key words： ADC; automatic test equipment; dynamic performance; evaluation