80C196KB內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器絕對(duì)誤差失效分析

王建超，丁 寧（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)　110032）

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80C196KB內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器絕對(duì)誤差失效分析

王建超，丁 寧
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

摘 要：80C196KB內(nèi)部集成8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，它由一個(gè)8通道的模擬多路開(kāi)關(guān)、一個(gè)采樣/保持電路、一個(gè)10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、A/D命令寄存器、A/D結(jié)果寄存器和控制邏輯等組成。介紹了通過(guò)對(duì)80C196KB內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)試，簡(jiǎn)化A/D器件測(cè)試，構(gòu)建簡(jiǎn)單快速、通用性好的絕對(duì)誤差測(cè)試系統(tǒng)，以Intel公司的80C196KB單片機(jī)與16位串行D/A轉(zhuǎn)換器AD5541為例，介紹該類測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建與編程，并給出具體的編程思路，提出了一種軟硬件結(jié)合的A/D轉(zhuǎn)換器絕對(duì)誤差失效分析方法，給出了測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并詳細(xì)描述了軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。這種方法對(duì)于其它具有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)一樣適用。

關(guān)鍵詞：80C196KB；A/D轉(zhuǎn)換器；D/A轉(zhuǎn)換器；絕對(duì)誤差；失效分析；測(cè)試系統(tǒng)

1 引 言

絕對(duì)誤差是測(cè)量值對(duì)真實(shí)值偏離的絕對(duì)大小，如圖1，A/D轉(zhuǎn)換誤差圖所示，絕對(duì)誤差是有正負(fù)，有方向的。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器而言，絕對(duì)誤差是實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差。它直接反映了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，通常為使用者所關(guān)注，當(dāng)用于軍事工業(yè)、機(jī)械控制和信號(hào)采集時(shí)，絕對(duì)誤差的測(cè)試變得尤為重要。

2 測(cè)試方法

測(cè)試基于80C196KB單片機(jī)展開(kāi)，80C196KB內(nèi)部集成了8路10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器［1］，日常使用中發(fā)現(xiàn)個(gè)別批次單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器存在實(shí)際轉(zhuǎn)換值偏離理想值過(guò)大的情況，在對(duì)80C196KB進(jìn)行失效分析時(shí)，就要對(duì)絕對(duì)誤差進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法是利用D/A轉(zhuǎn)換器將0至5V的模擬電壓進(jìn)行量化，量化值再作為測(cè)試A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)的模擬電壓輸入值，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)換值再與A/D轉(zhuǎn)換器的理想值進(jìn)行比較，得出絕對(duì)誤差值［2］。測(cè)試過(guò)程基于量化后分立的模擬輸入和數(shù)字輸出，所涉及的參數(shù)較傳統(tǒng)絕對(duì)誤差計(jì)算涉及的參數(shù)減少很多，更便于快速預(yù)估絕對(duì)誤差變化趨勢(shì)和了解A/D轉(zhuǎn)換器性能，A/D絕對(duì)誤差測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 A/D轉(zhuǎn)換誤差

圖2 A/D絕對(duì)誤差測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)測(cè)試多采用手工方式調(diào)整轉(zhuǎn)換器件的偏差，由于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器件的誤差項(xiàng)較多，如零點(diǎn)偏移誤差、增益誤差、積分非線性誤差、微分非線性誤差、D/A轉(zhuǎn)換器單調(diào)性誤差、建立時(shí)間及尖峰干擾、A/D轉(zhuǎn)換器量化誤差等。對(duì)每一種誤差的測(cè)試，都需要分別搭建不同的測(cè)試臺(tái)用手動(dòng)開(kāi)關(guān)一次次設(shè)置數(shù)據(jù)，逐個(gè)記錄測(cè)試結(jié)果，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)，還不能獲得完整的數(shù)據(jù)。另外，傳統(tǒng)方法調(diào)試A/D、D/A轉(zhuǎn)換器件時(shí)需要使用精密可調(diào)基準(zhǔn)信號(hào)源和高精度測(cè)量?jī)x器，一般技術(shù)人員往往得靠租借儀器并學(xué)習(xí)理解多項(xiàng)復(fù)雜參數(shù)，無(wú)形中增加了測(cè)試成本和周期。

因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在保證一定測(cè)試準(zhǔn)確度的前提下，達(dá)到降低測(cè)試成本，提高測(cè)試速度的目的。

3 絕對(duì)誤差測(cè)試

為提高整個(gè)測(cè)試的準(zhǔn)確度，選用16位高精度D/A轉(zhuǎn)換器。編程將0至5V量化為0.25V一個(gè)電壓步進(jìn)，量化后的輸入共計(jì)21個(gè)數(shù)字量，對(duì)應(yīng)21個(gè)模擬輸出電壓點(diǎn)。

使用6位半精度數(shù)字電壓表，分別對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的電壓基準(zhǔn)源和D/A轉(zhuǎn)換器的21個(gè)模擬輸出電壓點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓的量化和校準(zhǔn)［3］。通過(guò)計(jì)算得出各量化點(diǎn)A/D轉(zhuǎn)換器的理想值，編程對(duì)量化后的21個(gè)模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和實(shí)際轉(zhuǎn)換值的采集，相對(duì)應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想值之差即各量化點(diǎn)的絕對(duì)誤差。利用曲線擬合，可得到A/D轉(zhuǎn)換器絕對(duì)誤差的變化趨勢(shì)，便于評(píng)估A/D轉(zhuǎn)換器絕對(duì)誤差最大值可能出現(xiàn)的位置［4］。

4 測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）對(duì)精密儀器的依賴性很少，僅在調(diào)試時(shí)需要一臺(tái)6位半精度數(shù)字電壓表。

（2）利用D/A、A/D轉(zhuǎn)換的可逆性及PC機(jī)的普及性，使得測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，其系統(tǒng)復(fù)雜性體現(xiàn)在軟件編程上，這使得測(cè)試過(guò)程可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。

（3）測(cè)試系統(tǒng)所采用的參考D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器只需考慮精度，而對(duì)速度可以放寬。

（4）測(cè)試系統(tǒng)自身的器件誤差可通過(guò)軟件修正。

（5）編程和編譯軟件選用TASKING C for 196，程序存儲(chǔ)器選用華邦W27C512，D/A轉(zhuǎn)換器選用AD5541，自動(dòng)測(cè)試由80C196KB自動(dòng)完成，測(cè)試結(jié)果由串口輸出至PC［5］，測(cè)試結(jié)果如表1測(cè)試結(jié)果所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 失效機(jī)理分析

80C196KB內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器是10位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部采用基于電阻串的結(jié)構(gòu)。電阻串陣列由1024個(gè)單元電阻采用蛇形連接而成，如圖3所示，其中輸入?yún)⒖夹盘?hào)連接在電阻串的一端，地連接在另外一端，通過(guò)電阻串分壓完成A/D轉(zhuǎn)換。

圖3 電阻串結(jié)構(gòu)

電阻串中單個(gè)電阻的阻值精度和其相互間的一致性直接影響A/D轉(zhuǎn)換效果。本電路中的電阻是采用離子注入及退火工藝形成的，離子注入和退火的工藝條件如果控制不好［6］，就會(huì)在晶圓片的片間和片內(nèi)出現(xiàn)電阻值精度偏差，造成絕對(duì)誤差超出規(guī)范值要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)典型事例，分析出了一種快速簡(jiǎn)便的測(cè)試評(píng)估A/D轉(zhuǎn)換器絕對(duì)誤差的方法。降低了測(cè)試成本、縮短了測(cè)試周期、減輕了測(cè)試壓力、大大提高了故障定位和失效分析的效率。隨著A/D轉(zhuǎn)換器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軍事工業(yè)、機(jī)械控制和信號(hào)采集領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中，這種快速、簡(jiǎn)便測(cè)試和評(píng)估A/D轉(zhuǎn)換器絕對(duì)誤差的方法，將在科研生產(chǎn)和調(diào)試中發(fā)揮重要作用。

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·微機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信·

Failure Analysis of Absolute Error of A/D Converter of 80C196KB

Wang Jianchao，Ding Ning
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：An 8-channel 10-bit A/D converter is integrated in 80C196KB，which composed of an 8-channel multiplexer to select one of the eight input channels，the sample-and-hold circuit，the 10-bit successive approximation A/D converter，the AD_COMMAND register，the two-byte AD_RESULT register and the control logic.Based on Intel 80C196KB and 16-bit serial-input DACs AD5541，this paper introduces the absolute error test system of the A/D converter test of 80C196KB with simple and fast implementation from simplifying A/D converter test，puts forward a failure analysis method combining with software and hardware，and gives an implementation principle diagram.The procedure of implementation of the software is described in detail.This method is also suitable for other microcontroller integrated by A/D converter.

Key words：80C196KB；A/D Converter；D/A Converter；Absolute Error；Failure Analysis；Test System

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.008

中圖分類號(hào)：TP

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

文章編號(hào)：1002-2279（2016）02-0024-03

作者簡(jiǎn)介：王建超（1987-），男，遼寧沈陽(yáng)人，助理工程師，主研方向：微電子。

收稿日期：2016-01-12