ADC 測試中同源時鐘分析與解決方案

錢宏文， 劉繼祥， 吳翼虎， 饒 飛

（中科芯集成電路有限公司， 江蘇 無錫 214072）

1 引言

隨著科學技術的快速發展，低功耗、高度集成、微型化成為未來微電子技術的發展趨勢。 模數轉換器(ADC)作為集成電路技術的重要組成部分，對ADC 性能參數的精確測試是確保其可靠性應用的前提。 在對ADC 性能參數進行測試時發現， 應用同源時鐘為ADC 芯片提供時鐘源和信號源時，靜態指標測試結果嚴重超差。 為了分析該問題，應用MATLAB 對該場景進行仿真測試，通過深度分析，最終解決同源時鐘靜態指標測試問題。

2 ADC 測試簡介

ADC 靜態參數主要有差分非線性(DNL)、積分非線性(INL)[1]。靜態參數反映了ADC 的自身性能，當前，靜態參數的主要測試方法包括直方圖測試和基于動態參數估算靜態參數兩種方法。 直方圖方法包括斜坡輸入和正弦輸入兩種情況。 隨著ADC 精度的不斷提高， 要求斜坡發生器輸出的非線性度也要跟著提高，在增加測試成本的同時對高精度信號發生器會產生過度依賴， 在特殊時期就有可能受到國外廠商的掣肘。 本文通過正弦信號輸入，利用直方圖進行統計，完成靜態指標測試， 相對于斜坡直方圖方法節省時間，在測試裝置不變的情況下， 可以同時滿足動態參數、靜態參數的測試。

ADC 數據采集中應注意以下幾點：

1)輸入信號的頻率與采樣頻率[2]之間必須滿足奈奎斯特采樣定理，即fs?2fin（max）。

2) 樣本數（需要理論依據）輸入周期信號頻率與采樣頻率成互質關系， 以符合統計的隨機分布性；在同源時鐘時，應盡可能提升輸入信號頻率的精度以提高采樣的隨機性，避免漏碼發生，這就需要對輸入信號頻率與采樣信號進行約束，使采集到的碼值盡可能覆蓋ADC 芯片輸出碼值， 即需選擇特定頻率的輸入信號與采樣頻率，從而使得采集到的采樣數據能在記錄長度內轉換的代碼盡可能多。 這是通過輸入信號頻率與采樣頻率之間的一種基本關系實現的，如式（1）所示。

fin為輸入信號頻率，fs為采樣頻率，Ncycles為完整采樣的周期數，Nsamples為采樣總點數。

一般為方便處理，Nsamples取2 的整數次冪，Ncycles取與Nsamples互質的整數。 由于輸入正弦信號的時間與幅度關系是不均勻分布的，在統計碼密度時就會發現峰峰值附近處的采樣點數遠多于靠近幅度為0 的點；因此正弦-直方圖的缺點就是需要采集較大的樣本數[3]用以消除正弦波電壓分布的不均勻性。

對于一個理想的待測ADC 來說， 其碼值的統計直方圖應該呈浴盆狀分布，具體如圖1 所示。

圖1 理想碼密度統計圖

ADC 測試所需樣本數取決于ADC 分辨率N、DNL 誤差精度以及測試結果置信水平[4]，對于待測的16 位兩通道AD****，其DNL 典型值為0.7 LSB，置信水平為95%和99%，其樣本數NR可根據式（2）、（3）得出：

Z 為置信度，β 為測試精度。

3 測試平臺硬件設計

3.1 硬件架構

硬件系統是采用SOC+FPGA[5]架構進行設計的，輸入信號經過濾波器后與時鐘信號一起接入硬件系統，其中輸入信號與時鐘是由一臺信號源產生，硬件系統進行數據采集后通過以太網傳輸至上位機，上位機軟件完成數據接收、算法分析、測試指標結果顯示，如圖2 所示。

圖2 系統流程圖

3.2 軟件架構

上位機軟件采用LabVIEW+MATLAB[6]架構，與ZYNQ7020 千兆網口進行通信，通過更新數據庫、配置文件、Matlab 算法（com 組件）、FPGA 在線加載等功能模塊，以此實現不同型號芯片的快算測試。

3.3 應用

以16 位兩通道AD****為例，采樣頻率和輸入信號由一臺信號源兩個輸出端口提供，當采樣頻率輸入125 MHz、 輸入信號10.1 MHz、 單通道采樣點數4M時，得到INL、DNL 指標測試結果嚴重超差；若采樣頻率和輸入信號分別由兩臺信號源提供，靜態指標測試合格。 針對這一現象，我們懷疑輸入信號分辨率過低，時鐘信號在采樣過程中無法隨機進行采樣，導致碼值采集遺漏而造成靜態指標測試結果嚴重超差。 以下將通過MATLAB 進行仿真測試。首先MATLAB 需要生成125 MHz 的時鐘，采樣10.1 MHz 的正弦波，并進行幅值-碼值轉換（模擬真實ADC 采集場景），其次通過統計繪制出直方圖，最后對0～65535（216）進行統計，碼值統計數為0 則代表此處丟碼。 MATLAB 程序如圖3 所示。

當輸入信號10.1 MHz 時，丟碼率過高，不具備可觀察性； 故將輸入信號頻率更改為10.123 MHz 時,通過MATLAB 仿真，如圖4 所示。

圖3 MATLAB 程序

圖4 碼密度統計圖

統計丟碼數13510，最小丟碼值7514。按照同源時鐘情況進行仿真，首先將已知條件代入式（1）中：

得到Ncycles=336666.7，取整336667，代入上式得：

得到fin=10100031 Hz。

將輸入信號頻率更改為10100031 Hz 時， 單通道采樣點數4M，其仿真結果如圖5 所示。

從圖5 可知， 無丟碼現象發生且每個碼值最小采樣次數均大于30，同源時鐘下，輸入信號分辨率與丟碼率之間存在直接影響； 輸入信號分辨率足夠高，丟碼率越低。

圖5 仿真結果

保持輸入信號頻率10100031 Hz、 將樣本數設置為807k(置信水平95%)，無丟碼現象且每個碼值最小采樣次數均大于4； 保持輸入信號頻率10100031 Hz、將樣本數設置為1.355M(置信水平99%)，無丟碼現象且每個碼值最小采樣次數均大于10。

一般采用碼密度直方圖進行ADC 靜態參數測試時，若輸入為正弦信號，每個碼采樣數應不少于30 個，故單通道采樣點數4M。

由此可見，在同源時鐘下，碼密度采集與輸入信號分辨率、采樣點數密切相關。

4 測試結果

再次以16 位兩通道AD****為例，采樣頻率和輸入信號由一臺信號源兩個輸出端口提供，當采樣頻率輸入125 MHz、輸入信號101000031 Hz、單通道采樣點數4M 時， 得到INL、DNL 指標測試結果如圖6 所示。

圖6 靜態參數

實測指標與數據手冊對比如表1 所示。

表1 測試結果與AD**** 數據表對比

5 結論

通過輸入信號頻率與采樣頻率之間的基本關系計算出輸入信號頻率，可以有效解決同源時鐘下靜態指標異常的問題；通過置信水平公式可以得到最優樣本數據個數，能夠提高采樣效率，為后期批量測試節省時間。 本文針對同源時鐘下靜態指標異常問題，通過理論分析、仿真設計、實物驗證，為后期ADC 測試中同源輸出提供了很好的解決方案，具有一定的啟發價值。