基于虛擬儀器技術的DAC靜態參數測試系統

李岳　韓賓　權恩猛

摘 要：簡要介紹了DAC靜態參數計算方法，對比、分析了全掃描、位掃描、比較法3種DAC靜態參數測試方法。結合虛擬儀器技術軟硬件在數據采集和儀器控制領域的強大功能，提出了一種基于虛擬儀器的DAC靜態參數測試系統。測試結果表明，該系統能夠良好、穩定地計算DAC靜態參數，為DAC靜態測試技術提供了一個新的發展思路。

關鍵詞：靜態測試；DAC；虛擬儀器技術；LabVIEW

中圖分類號：TJ765.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.016

數模轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）作為數字信號向模擬信號轉換的關鍵接口，被廣泛應用于通信、測試測量、自動化和頻率合成等領域，行業需求和半導體自身的發展促使DAC向高速、高精度的方向發展。同時，DAC參數測試作為衡量此類器件電路性能的主要手段，研究數模轉換器參數測試方法具有十分重要的現實意義。隨著半導體行業的高速發展，日益增長的性能需求也從客觀上對DAC測試技術提出了更高的要求。

虛擬儀器技術作為最新一代的儀器技術，是計算機和網絡對儀器技術發展的一次沖擊和融合。虛擬儀器技術分為高性能的模塊化硬件和無縫對接的軟件兩部分，測試用戶可以自己定義儀器功能，脫離了儀器廠商對測量儀器功能固化的限制。同時，對于DAC性能參數測試，虛擬儀器技術具有自動測試、網絡化、性能高、擴展性強的特點，非常適合運用于DAC測試過程中進行數據采集、數據保存、波形顯示和數據結果分析等。

本文分析了DAC靜態參數計算方法，對比、分析了3種典型的DAC靜態測試方法，即全掃描、位掃描、比較法，闡述了3種方法的優缺點。同時，采用高性能的數據采集硬件采集數模轉換器模擬輸出信號，將LabVIEW作為軟件平臺，編寫參數測試過程后臺程序，控制數據采集和測試流程，采用低功耗的8位DAC樣片TLC5620搭建出高效、低成本的DAC靜態參數測試系統。測試實驗表明，此系統測試結果準確，測試速度快，非常適合應用于DAC靜態參數測試領域。

1 DAC靜態參數測試基礎

1.1 DAC靜態參數測試指標

DAC靜態參數實質是檢測由集成電路在設計、生產、封裝時帶來的非理想因素。這些非理想因素可能是因為生產工藝、物理缺陷、操作失誤等引發的，最后呈現的DAC產品只有經過嚴格的測試之后才能投入到實際應用中。

DAC最主要的靜態參數指標有失調誤差（Offset Error）、增益誤差（Gain Error）、微分非線性誤差（Differential Nonlinearity Error，DNL）和積分非線性誤差（Integral Nonlinearity Error，INL）。

1.2 DAC靜態參數測試方法

DAC靜態參數測試實際上是一種小信號的測試，DAC分辨率位數越高，最低有效位所對應的電壓就越小。在給被測DAC數字輸入端施加相應的數字碼型時，每一位數字碼在模擬輸出端測試其輸出的模擬電壓，去除兩端跳躍和不穩定的電壓波形，測量其中間線性的部分取平均。常用的DAC靜態參數測試方法有全掃描、位掃描和比較法。

全掃描也叫全碼測試法，就是對DAC每一個二進制點進行逐點掃描。被測試DAC的每一個二進制點經過掃描后，測試結果最精確。但是，全掃描方法需要測試2N個數據，測試過程繁多，測試時間比較長。

位掃描是對被測DAC進行逐位掃描，比較每一位的實際測量模擬輸出值與理想輸出值。對于1個N位DAC，只需要測試其N次模擬輸出值，測試速度比較快。

比較法是同時測量被測DAC與1個標準DAC，將被測DAC模擬輸出與標準DAC模擬輸出相減。參數計算時，要考慮到標準DAC本身的誤差值。這種方法快速、操作簡便，但是，對標準DAC的精度和穩定性要求比較高，而且標準DAC的分辨率位數至少要比被測DAC位數高4位，才能有效滿足DAC的測試需求。所以，這種方法對高于12位的DAC不太適用。

2 基于虛擬儀器的測試系統

虛擬儀器技術的主體思想是以軟件為核心，以計算機為載體。測試用戶可以根據其具體應用領域，配合標準化的軟硬件設備，自定義用戶需求。一般情況下，硬件采用適合測試領域的數據采集模塊，軟件以LabVIEW為平臺執行開發測試程序。

DAC靜態參數測試系統需要給被測DAC數字碼型輸入端施加相應的數字碼，計算和顯示采集模擬輸出端的輸出電壓，最后返回測試結果。

圖1為DAC靜態參數測試系統結構圖。其中，參考電路接入被測DAC的REF參考電壓引腳，作為DAC模擬輸出的參考電壓，電源給被測DAC提供穩定的工作電源，晶振電路給被測DAC提供相應的時鐘頻率，濾波電路濾除測試過程中存在的噪聲。虛擬儀器硬件和軟件配合實施控制DAC的信號采集、分析、處理、計算和顯示。

圖2為在DAC數字端施加的數字碼型，最精確的測試方法是全掃描，但是，它測試時間太長。這就促使測試用戶重新選擇一種數字代碼選擇方法來替代全碼測試。圖2所示的數字代碼是在位掃描基礎之上的，不但要考慮DAC內部每一個單元出現系統誤差和隨機誤差的情況，還考慮到數字碼型之間可能出現的相互干擾的情況。

圖3為DAC靜態測試后臺程序，主要包括設置DAQ采集模塊的通道和采樣率。通過調用DAQ采集驅動程序采集到DAC輸出電壓值，再通過計算將測試結果返回到前面板進行顯示。后臺程序對應前面板，即測試的人機界面，主要包括了DAC信號采集參數設置、用戶管理、數據保存的功能，DAC模擬輸出端信號波形實時顯示，測量數據實時顯示，并且保存在用戶指定儲存文件夾下。

3 測試結果分析

本文采用了一款低功耗串行8位電壓輸出型數模轉化器TLC5620來搭建基于虛擬儀器技術的DAC測試系統。測試系統數字輸入模塊是PXI-6541數字波形發生器，該模塊每個通道方向可控，具有高容量的板載內存，適合高速測試場合。DAC測試系統模擬采集模塊采用的是PXIe-6366高性能數據采集設備。該模塊具有高處理能力的PCI Express總線、NI-STC3定時和同步技術，保證了模擬數據采集的穩定性和可靠性。特別需要注意的是，模擬輸出數據采集與DAC時鐘要匹配，才能正確采集到數據。測試過程如圖4所示。

圖4是在人機界面觀察到的DAC靜態參數測試實時數據和波形圖，模擬輸出波形對應數字輸入碼型，模擬輸出實時數據記錄在TDMS文件里，保存在測試用戶自定義的保存路徑下。

圖5是DAC靜態參數測試模擬輸出結果經過最小二乘擬合出的曲線。由該曲線可以看出，被測DAC模擬輸出的性能，理想的DAC模擬輸出曲線應該為一條斜線。

表1是實驗室環境下幾種靜態測試方法的測試結果對比情況，最大值是TLC5620數據表給出的測試極端情形。最大值是一個范圍，超出最大值表示DAC被損壞或不正常。全掃描靜態測試方法與位掃描靜態測試方法的結果相差不大。這說明2種方法的測試精度差不多，但是，位掃描靜態測試方法的測試速

度更快。

4 結論

本文提出了一種基于虛擬儀器技術的DAC靜態參數測試系統，將虛擬儀器技術自動化測試、性能高、擴展性強的特點與DAC靜態參數測試過程相融合。測試結果表明，系統能夠良好地測試DAC靜態參數，采用不同的測試方法將會有不同的測試精度和測試速度。

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〔編輯：白潔〕