一种模数转换器测试装置和方法与流程

[0001]
本发明涉及电路测试领域，特别涉及一种模数转换器测试装置和方法。


背景技术：

[0002]
在当前集成电路领域，高精度模数转换器(adc)是模拟类集成电路的一个重要分支，而现在
△
σ型adc分辨率最高已达到了32位。要对如此高精度adc的线性度进行测试，其难度是不可想象的，不仅需要超高精度的信号源，而且采集的数据量也是非常庞大的。线性度作为高精度adc的核心指标，随着adc分辨率的不断提高，测试也越来越困难。目前在实验室利用高性能的分立设备和采集板卡可以从全输入范围内得到高精度adc的线性度曲线，这种方法虽可以精确的测出adc的线性误差，但是需要花费大量的测试时间，无法用于量产测试。
[0003]
目前，业内对高精度adc线性误差的量产测试大多通过抽样测试得到的，主要采用下面两种手段来实现：一种是ate+高精度万用表的解决方案，利用高精度万用表实时测量ate的输出信号并将测量值回传至ate电脑，再与adc转换的结果相比较，从而得出当前信号的误差，多点测试之后取最大误差值作为该adc的线性误差。另一种是ate+高精度信号源的解决方案，ate控制外挂的高精度信号源送出连续线性变化信号并采集adc的转换结果，通过end point或best fit方法得到adc的线性误差。两种方案虽都可以解决ate自身信号源精度不足的问题，但ate和外设之间反复的握手、控制、采集等信号传输，会增加很多额外的测试时间，导致测试成本的急剧上升，测试效率低下。
[0004]
目前，几乎所有的集成电路都是用集成电自动测试系统(ate)来进行量产测试的，高精度adc也毫不例外。高精度adc对信号源的性能要求非常高，例如一款24位的adc，其线性度≥16位，典型值17位，按照源线性度至少比待测器件预期线性度高两位的原则，所需信号源的线性度至少要达到19位的水平，而ate是远远滞后于芯片发展速度的，比如常见的ate泰瑞达j750的信号源仅有16位的线性度，已无法满足高精度adc线性度的测试需求。
[0005]
现有高精度adc线性误差的测试装置主要存在以下几方面的缺点：
[0006]
(1)成本高。外挂的高性能设备，一般都价格不菲，测试一只高精度adc需要一台高精度万用表或高精度信号源，一台安捷伦的8位半万用表至少需要8万元，一台福禄克的8位半电压源至少需要70万元，而如要进行多片并行测试那采购成本将成倍数增加。
[0007]
(2)结构复杂。首先pc要建立与外挂设备的通信，一般可通过gpi b、网口或usb等实现，其次外设和adc要连接，同时ate要能对adc访问，在pc上要用外设端口实现对外设和adc的同步可控，并将ate采集的数据分析计算，从而得到结果。整个测试平台的结构十分的繁杂，拆卸和组装都十分不便。
[0008]
(3)速度慢。每测量一个电压信号pc都须先与外设的通信，再控制ate对adc的转换数据进行采集，整个测试过程是串行进行的，并且外设处理pc指令也需要一定时间，当一款产品的测试点达到成百上千的时候，测试时间将急剧增加。
[0009]
因此，在现有ate基础上开发高精度adc的测试平台来解决量产测试，是最为可行
的方法。


技术实现要素：

[0010]
有鉴于此，本发明的主要目的是降低测试成本、提高测试效率。
[0011]
为达到上述目的，本发明提供了一种模数转换器测试装置和方法。
[0012]
一种模数转换器测试装置，包括自动测试系统和信号源；自动测试系统控制信号源以等间隔方式输出模拟电压信号给被测模数转换器；自动测试系统控制被测模数转换器对每个电压信号进行多次转换并采集转换数据；被测模数转换器将采集的转换数据发送给自动测试系统；自动测试系统对接收的转换数据进行处理，得到被测模数转换器的线性度误差。
[0013]
其中，信号源包括可变参考dac和信号源dac；自动测试系统控制可变参考dac向信号源dac提供参考电压，通过改变参考电压使得信号源dac的输出范围在不损失分辨率的前提下灵活变化，同时自动测试系统还控制信号源dac产生测试所需的各类波形。
[0014]
其中，自动测试系统采用泰瑞达j750。信号源为高线性度信号源。信号源与被测模数转换器在同一个电路板上。
[0015]
一种模数转换器测试方法，步骤如下：
[0016]
第s1步，自动测试系统分别发送控制信号给信号源和被测模数转换器；
[0017]
第s2步，信号源以等间隔方式输出模拟电压信号给被测模数转换器；
[0018]
第s3步，被测模数转换器对每个电压信号进行多次转换并采集转换数据；
[0019]
第s4步，被测模数转换器将采集的转换数据发送给自动测试系统；
[0020]
第s5步，自动测试系统对接收的转换数据进行处理，得到被测模数转换器的线性度误差。
[0021]
其中，自动测试系统对接收的转换数据的处理步骤如下：
[0022]
第s501步，对采集的每个电压信号的多次转换数据求平均，得到每个电压信号对应的转换数据code[n]，n为模拟电压信号的总数；
[0023]
第s502步，计算通过被测模数转换器转换后的每相邻电压数字码之间的差值，即间隔差actulstep[n]，actulstep[n]＝(code[n]－code[n-1])；
[0024]
第s503步，计算平均间隔差averagestep，
[0025]
averagestep＝(code[n]－code[0])
÷
(n－1)；
[0026]
第s504步，计算每个间隔差与平均间隔差的差值，
[0027]
errstep[n]＝actulstep[n]－averagestep；
[0028]
第s505步，对数组errstep进行积分，得到线性度误差曲线，曲线上的最大值即为被测模数转换器的线性度误差。
[0029]
本发明的有益效果为，在现有ate基础上实现了对高精度模数转换器的线性度参数的高效测试，无需额外增加费用采购高性能分立设备，显著缩短了测试时间，节约了测试成本。并且，本发明的结构简单，无需额外连接信号电缆和通信数据总线，在ate上具有即插即用，拆卸方便的特点，十分方便快捷。
附图说明
[0030]
图1为模数转换器测试装置结构示意图。
[0031]
图2为高线性度信号源结构示意图。
[0032]
图3为模数转换器测试方法流程图。
[0033]
图4为转换数据处理流程图。
[0034]
图5为线性度误差曲线示意图。
具体实施方式
[0035]
下面将参照附图对本发明的一种模数转换器测试装置和方法进行详细说明。
[0036]
如图1所示，一种模数转换器测试装置，包括自动测试系统1和信号源2；自动测试系统1控制信号源2以等间隔方式输出模拟电压信号给被测模数转换器3；自动测试系统1控制被测模数转换器3对每个电压信号进行多次转换并采集转换数据；被测模数转换器3将采集的转换数据发送给自动测试系统1；自动测试系统1对接收的转换数据进行处理，得到被测模数转换器3的线性度误差。
[0037]
如图2所示，信号源2包括可变参考dac21和信号源dac22；自动测试系统1控制可变参考dac21向信号源dac22提供参考电压，通过改变参考电压使得信号源dac22的输出范围在不损失分辨率的前提下灵活变化，同时自动测试系统1还控制信号源dac22产生测试所需的各类波形。
[0038]
以20位的信号源为例，信号源dac22选择线性度为20位的dac芯片，并通过自动测试系统1控制一个低噪声的可变参考dac21向其提供参考电压。
[0039]
其中，自动测试系统1采用泰瑞达j750。信号源2的线性度高于被测模数转换器3两位以上，为高线性度信号源。信号源2与被测模数转换器3在同一个电路板上。
[0040]
测试时，信号源2输出的信号数量越多，线性度误差越接近真实值，但测试成本也随之增加。
[0041]
如图3所示，一种模数转换器测试方法，步骤如下：
[0042]
第s1步，自动测试系统1分别发送控制信号给信号源2和被测模数转换器3；
[0043]
第s2步，信号源2以等间隔方式输出模拟电压信号给被测模数转换器3；
[0044]
第s3步，被测模数转换器3对每个电压信号进行多次转换并采集转换数据；
[0045]
第s4步，被测模数转换器3将采集的转换数据发送给自动测试系统1；
[0046]
第s5步，自动测试系统1对接收的转换数据进行处理，得到被测模数转换器3的线性度误差。
[0047]
如图4所示，自动测试系统1对接收的转换数据的处理步骤如下：
[0048]
第s501步，对采集的每个电压信号的多次转换数据求平均，得到每个电压信号对应的转换数据code[n]，n为模拟电压信号的总数；
[0049]
第s502步，计算通过被测模数转换器3转换后的每相邻电压数字码之间的差值，即间隔差actulstep[n]，actulstep[n]＝(code[n]－code[n-1])(1)；
[0050]
第s503步，计算平均间隔差averagestep，
[0051]
averagestep＝(code[n]－code[0])
÷
(n－1)
ꢀꢀꢀ
(2)；
[0052]
第s504步，计算每个间隔差与平均间隔差的差值，
[0053]
errstep[n]＝actulstep[n]－averagestep
ꢀꢀꢀ
(3)；
[0054]
第s505步，对数组errstep进行积分，得到线性度误差曲线，曲线上的最大值即为被测模数转换器3的线性度误差。
[0055]
实施例
[0056]
一款24位
△
σ型adc，该器件为5v单电源供电，模拟输入范围为
±
2.5v，非线性误差≤
±
0.0015％fsr，说明线性度≥16.03位。测试机台以美国泰瑞达j750为例，测试板上的信号源选择20位的dac芯片来构建，该dac的分辨率为20位，按参数手册来看，其实际线性度亦达到20位，按照源线性度至少比待测器件预期线性度高2位的原则，该dac完全满足高精度adc线性度的测试需求。另外，该dac还具有优异的满刻度误差性能，在25℃时满刻度误差≤1lsb(≈9.5uv)，所以对被测adc来说可以将该dac看作理想信号源。
[0057]
采用如图2所示的高线性度信号源将dac输出的单端信号转换为高精度的差分信号。为了使差分信号具有良好幅度平衡性，高线性度信号源所使用的反馈电阻和分压电阻均为高匹配度电阻网络，匹配误差不超过0.01％。
[0058]
adc的输入范围为-2.5v～+2.5v，调节dac的外部参考电平和差分转换电路的比例电阻，使高线性度信号源的差分信号幅度控制在-2.475v～+2.475v范围(该范围无需特别精确，因为线性度参数是相对值)，这样可以避免待测adc的正满度误差和负满度误差对线性误差测试造成影响。线性误差的测量范围达到满量程的99％，即对99％的输入范围进行线性度评估。
[0059]
开始测试前，先用j750对adc进行配置，使其工作在最高分辨率模式，此时采样周期最长。dac的输入编码从0开始，以4096为间隔送入转换码，间隔总数为256(间隔总数越多，越能反映实际的线性误差，为了平衡测试时间与测试覆盖率这里将间隔总数设定为256)。dac每输出一个电压，j750将控制adc对输入信号进行采样。
[0060]
adc对每一个电压信号都进行多次采样，次数越多，平均后得到的结果越精确，但由于高精度adc转换周期较长，要采样大量的数据显然不现实，为了平衡测试成本，采用了针对性的测试。根据测试目标――“线性误差典型值17位”，经对多次采样后的数据进行分析，发现当采到380次及以上时，平均后的数据已经能保证高17位不再变化，说明有效位已达17位，这已足够用于线性误差的评估。
[0061]
对每个信号的采样数据求平均，并将平均后的256个数据码按上述公式(1)、公式(2)和公式(3)进行计算并积分，可以得到如图5所示的线性度误差曲线，曲线上的最大值即为该adc的线性误差。
[0062]
本实施例adc的线性误差测试时间约为110秒，而在采集同样间隔数量的ate+高精度万用表的方案，其所花费的测试时间达到510秒以上，本发明至少缩短测试时间400秒，大大降低了测试成本，提升了测试效率。
[0063]
本发明从提升测试效率入手，在现有ate的基础上，通过高性能的元器件自建信号源，信号源控制与adc数据采集同时进行，实现了对高精度adc线性误差的快速测试。本发明的模数转换器测试装置和方法能够准确、高效地测试出高精度模数转换器的线性度指标。
[0064]
本发明目前已成功应用于24位adc产品hwd7738、hwd7710的量产测试，使线性误差的测试时间从原来的6分钟以上缩短至约1分钟，极大的降低了测试成本。本发明具有良好的普适性，适用于所有24位以下(含24位)高精度模数转换器类芯片的测试。