80C196KB內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器絕對誤差失效分析

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

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80C196KB內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器絕對誤差失效分析

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

摘 要：80C196KB內(nèi)部集成8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，它由一個8通道的模擬多路開關(guān)、一個采樣/保持電路、一個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。介紹了通過對80C196KB內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器測試，簡化A/D器件測試，構(gòu)建簡單快速、通用性好的絕對誤差測試系統(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)換器絕對誤差失效分析方法，給出了測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并詳細(xì)描述了軟件實(shí)現(xiàn)過程。這種方法對于其它具有內(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；絕對誤差；失效分析；測試系統(tǒng)

1 引 言

絕對誤差是測量值對真實(shí)值偏離的絕對大小，如圖1，A/D轉(zhuǎn)換誤差圖所示，絕對誤差是有正負(fù)，有方向的。對于A/D轉(zhuǎn)換器而言，絕對誤差是實(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)械控制和信號采集時，絕對誤差的測試變得尤為重要。

2 測試方法

測試基于80C196KB單片機(jī)展開，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)換值偏離理想值過大的情況，在對80C196KB進(jìn)行失效分析時，就要對絕對誤差進(jìn)行測試。

測試方法是利用D/A轉(zhuǎn)換器將0至5V的模擬電壓進(jìn)行量化，量化值再作為測試A/D轉(zhuǎn)換器時的模擬電壓輸入值，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，得出絕對誤差值［2］。測試過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)絕對誤差計算涉及的參數(shù)減少很多，更便于快速預(yù)估絕對誤差變化趨勢和了解A/D轉(zhuǎn)換器性能，A/D絕對誤差測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 A/D轉(zhuǎn)換誤差

圖2 A/D絕對誤差測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)測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、建立時間及尖峰干擾、A/D轉(zhuǎn)換器量化誤差等。對每一種誤差的測試，都需要分別搭建不同的測試臺用手動開關(guān)一次次設(shè)置數(shù)據(jù)，逐個記錄測試結(jié)果，費(fèi)時費(fèi)力，容易出錯，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)換器件時需要使用精密可調(diào)基準(zhǔn)信號源和高精度測量儀器，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)，無形中增加了測試成本和周期。

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

3 絕對誤差測試

為提高整個測試的準(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一個電壓步進(jìn)，量化后的輸入共計21個數(shù)字量，對應(yīng)21個模擬輸出電壓點(diǎn)。

使用6位半精度數(shù)字電壓表，分別對A/D轉(zhuǎn)換器的電壓基準(zhǔn)源和D/A轉(zhuǎn)換器的21個模擬輸出電壓點(diǎn)進(jìn)行測量，完成對A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓的量化和校準(zhǔn)［3］。通過計算得出各量化點(diǎn)A/D轉(zhuǎn)換器的理想值，編程對量化后的21個模擬電壓進(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)的絕對誤差。利用曲線擬合，可得到A/D轉(zhuǎn)換器絕對誤差的變化趨勢，便于評估A/D轉(zhuǎn)換器絕對誤差最大值可能出現(xiàn)的位置［4］。

4 測試系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）對精密儀器的依賴性很少，僅在調(diào)試時需要一臺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，使得測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)非常簡單，其系統(tǒng)復(fù)雜性體現(xiàn)在軟件編程上，這使得測試過程可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。

（3）測試系統(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，而對速度可以放寬。

（4）測試系統(tǒng)自身的器件誤差可通過軟件修正。

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

表1 測試結(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夹盘栠B接在電阻串的一端，地連接在另外一端，通過電阻串分壓完成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，造成絕對誤差超出規(guī)范值要求。

6 結(jié)束語

通過典型事例，分析出了一種快速簡便的測試評估A/D轉(zhuǎn)換器絕對誤差的方法。降低了測試成本、縮短了測試周期、減輕了測試壓力、大大提高了故障定位和失效分析的效率。隨著A/D轉(zhuǎn)換器越來越廣泛地應(yīng)用于軍事工業(yè)、機(jī)械控制和信號采集領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中，這種快速、簡便測試和評估A/D轉(zhuǎn)換器絕對誤差的方法，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：TP

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

文章編號：1002-2279（2016）02-0024-03

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

收稿日期：2016-01-12