（电路与系统专业论文）模数转换器测试技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 模拟数字转换器( a d c ) 是一种将模拟的电压输入信号转化为多位输出的 电路仪器设备，通过它才能将实际生活中的连续模拟信号转化成为计算机能够处 理的离散数字信号，因此在日常的工作生活当中a d c 具有十分广泛的应用，例 如可以应用于便携电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据信号采集器。 因此如何准确评估a d c 的性能一直受到高度的关注。而评估a d c 性能的参数包 括静态参数和动态参数。其中静态参数包括积分非线性( i n l ) 和微分非线性 ( d n l ) ，动态参数包括信噪比( s n r ) 、信纳比( s i n a d ) 、有效位数( e n o b ) 、 总谐波失真度( t h d ) 、无寄生动态范围( s f d r ) 、双音互调失真( t t i m d ) 和 多音互调失真( m t i m d ) 。 要准确评估a d c 的性能要求采用动态测试方法。动态测试的关键是保证测 试处理过程中信息的完整性，相干采样由于实现了对输入信号的整周期采样，从 而能保证采样信息的完整性，但应注意的是，必须保证相干采样的条件。事实上， 随着被测a d c 分辨率的提高，相干采样的条件往往很难办到。这时一种较好的 处理办法是采用窗函数来处理采样结果，以尽量减少泄漏。误差分析则解决了测 量过程中误差对测试结果的影响。本文运用了码密度直方图分析法； t l f f t 频谱分 析法柬测试a d c 的性能，并基于安捷伦公司的1 6 7 0 2 b 逻辑分析仪实现了对逐次 逼近寄存器型模拟数字转换器的静态参数和动态参数测试。文章的最后提出了一 些新的a d c 测试参数并对f f t 算法做出了一些改进。 关键词：a d c 钡4 试误差分析、频谱分析 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e ri sac h i pw h i c hi su s e dt oe o n v e r tt h ev o l t a g ei n p u tt o d i g i t a lo u t p u ti nb i t i nt h i sw a y , w ec a nd e a lw i t hs o m es i g n a l sw h i c ha r ec o n t i n u a l a n da n a l o gb yc o m p u t e r s oa d ci su s e di nm a n ya s p e c t s b e e a u s ei nm a n y i n s t r u m e n t sa d ci st h em o s ts i g n i f i c a n tp a r t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fa d ce x a c t l y t h es t a t i ca n dd y n a m i cp a r a m e t e r sa r e t h es t a n d a r dt o e v a l u a t ei t 1 1 伦s t a t i c p a r a m e t e r s i n c l u d ei n t e g r a t e d n o n l i n e a r i t y 、d i f f e r e n t i a l n o n l i n e a r i 饥a n dt h e d y n a m i cp a r a m e t e r s i n c l u d es i g n a l - t o - n o i s er a t i o 、 s i g n a l t o - n o i s e + d i s t o r t i o nr a t i o 、e q u i v a l e n tn u m b e ro f b i t s 、t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n 、 s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e 、t w o t o n e i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n 、m u l t i - t o n e i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n w jh a v et ou t h ed y n a m i ct e s ti fw ew a n tt og e tt h ep e r f o r m a n c eo fa d c e x a c t l y a n dt h ek e yp o i n to fa 【嬲栅e s si st h ei n t e g r i t yo ft h es i g n a l t h ei n t e r f i x s a m p l em a k e st h es a m p l eo f 向1 1p e r i o dc o m et r u e b u ti nf a c tw en e e dt os a r i s f yt h e c o n d i t i o n so fi n t e r f i xs a m p l e b e e a u s eo ft h ei m p r o v i n go ft h ea d cr e s o l u t i o n i ti s d i f f i c u l tt os a t i s f yt h e s ec o n d i t i o n s n o ww eu s et h ew i n d o w sf u n c t i o nt oi n s t e a do f t h ei n t e r f i xs a m p l e s ow ec a l lr e d u c et h el e a k a g e s t h ea n a l y s i so fe r r o rs o l v e st h e e m e r g e n c eo fe r r o rd u r i n gt h et e s tw h i c hw i l le f f e e tt h er e s u l to ft e s t i nt h ea r t i c l e b e l o w , iu s et h ew a yo fc o d ed e n s i t ya n df f tf r e q u e n c ya n a l y s i s b yt h eh e l po fl o g i c a n a l y z e r1 6 7 0 2 bo f a g i l e n t if i n i s ht h et e s to f s t a t i ca n dd y n a m i cp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：a d c t e s t t e s to f e r r o r t e s to f f r e q u e n c y i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 集成电路发展概述 信息产业是2 1 世纪世界经济的主导产业和支柱产业，信息科技的进步正在 极大地影响和改变人类工作生活的方式。信息产业的发展离不开集成电路技术 的支持与更新，半导体技术的发展进一步推动了信息产业的进步。集成电路作 为信息技术的核心部件，其应用涉及到生产和生活的各个方面，并因此成为了 当今信息社会发展的重要物质基础。 自1 9 5 8 年诞生以来，集成电路的发展经历了小规模集成( s s i ) ，中规模集成 ( m s i ) ，大规模集成( l s i ) 的阶段，目前己进入了超大规模集成( v l s i ) 和甚大规 模集成( u l s i ) 的阶段，系统芯片( s 0 c ，s y s t e m0 nc h i p ) 的时代已经到来。i n t e l 公司的创始人之一g o r d o nm o o r e 曾提出著名的摩尔定律，v l s i 的集成度每隔十 八个月就翻一倍。在过去的四十多年中，集成电路的发展几乎完全遵循这一论 断。而且乐观的研究表明，这种发展速度至少还可以再继续1 0 年到2 0 年。2 0 0 5 年初的商业化半导体芯片主流技术已经达到0 1 3 0 m 线宽，预计今后将很快发展 成熟到9 0 n t o 和6 5 n m 以下，从而标志着集成电路工业纳米级时代的到来。根据 i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a ps e m i c o n d u c t o r ) 给出的从1 9 9 5 年到 2 0 1 6 年世界i c i 艺发展趋势的数据可以看到：集成电路的制造工艺不断提高， 线宽迅速减小，芯片上集成的晶体管的数目不断增加，芯片结构同益复杂，面 积不断增大。 集成电路工业生产具有一套基本的完整流程，从集成电路的设计制造到最 后的芯片生产。目前比较流行的流程可简单描述如图卜1 所示，在实际的生产 过程中，每一个生产步骤又会包含若干的工艺处理步骤，各生产过程步骤之间 相互制约，相互配合，从而保证了芯片生产的顺利完成。 浙江大学硕士学位论文 图卜1 集成电路设计和制造一般流程 1 2 电子产品实现过程中测试问题的重要性 有句古老的格言说：“是人就会犯错误。”为了让不“完美”的人制造出相对 “完美”的产品来，就有了“测试”的概念，它被广泛地应用于人类的生产活动 中。电子测试技术，就是应电子产品设计和制造的需求而产生和发展起来的、 有着四十多年历史的一个应用科学领域。电子测试的主要目的是保证器件在正 常工作的环境条件下甚至是恶劣的环境条件下能完全实现设计规格书所规定的 功能及性能指标。电子产品从质量和经济两个方面受益于测试技术的发展和应 用。质量和经济实际上是一个产品不可分割的两个属性。最优化( o p t i m i z e d ) 的质 量，意味着以最小的成本满足了用户的需求。一个好的测试过程能够在次品到 达用户手中之前把它们淘汰出来。生产这些次品的费用往往会被转嫁到好产品 的出售价格中，如果次品太多，那么少数好产品的价格就会过于昂贵。如果一 4 浙江大学硕士学位论文 个电子产品的设计工程师不能深刻理解产品的制造和测试过程背后的物理原 理，很难想象他能设计出高质量的产品来。 一个电子产品的设计是从确定用户需求开始的，用户需求来自于某项特殊 应用需要完成的功能。根据用户需求书写产品规范，它一般包括以下内容：功 能定义( 输入输出特征) 、操作特征( 功耗、频率、噪声等) 、物理特征( 例如 封装) 、环境特征( 温度、湿度、可靠性等) 以及其他特征( 成本、价格等) 。 有了详细的功能规范，就可以开始具体的设计了，它也分为几个阶段。第一个 阶段是体系结构设计，即为实现目标功能制定一个由若干可实现的功能块构成 的系统级结构。第二个阶段称为逻辑设计，进一步将各功能块分解成逻辑门。 最后是物理设计，用物理器件( 例如晶体管) 来实现逻辑门，产生一个芯片版 图。物理版图被转化成光掩模，送到硅片制造生产线上加工成芯片。在加工过 程中，材料的不纯和缺陷、设备的不完善以及人为的失误等等都是引起故障的 原因，因此芯片制造出来后的生产测试是必不可少的。测试的另一个重要功能 是制造过程诊断( p r o c e s sd i a g n o s i s ) 。对每个故障芯片，必须分析引起故障的原因 是由于制造过程的问题、还是设计或者测试本身的问题、甚至可能一开始制定 规范时就有问题。对故障芯片的分析称为失效模式分析( f a i l u r em o d ea n a l y s i s ) ，简 称f m a ，可以有许多不同的测试手段，包括使用光电显微镜检查确定失效原因 以改进工艺过程。有一点必须明确的是，测试成本是一个很重要的因素，关键 目的之一就是帮助降低电子产品的生产成本。甚至在优化的条件下，测试成本 有时能占到电子产品总体成本的4 0 左右。并且良品率和测试时间必须达到一 个平衡，以取得最好的成本效率。 下图是一个现实的超大规模集成电路芯片实现过程，不同阶段之间的虚线 表明了所涉及到的测试内容。对用户需求和功能规范的测试通常称为“审查”， 对设计过程的测试称为“设计验证”，对制造过程的测试就是集成电路领域常说 的“测试”，也是本文所说的测试的含义。传统的测试方法是使用自动测试设备 ( a u t o m a t i c t e s t e q u i p m e n t ) 对被测芯片施加测试向量，捕获芯片的输出结果与预 期的正确结果进行比较，以判断芯片中是否存在某一类型的故障。 浙江大学硕上学位论文 图1 - 2 一个现实的v l s i 芯片的生产过程 1 3 数字集成电路的测试 集成电路在生产阶段的测试，及产品测试，包括两个阶段。首先是生产工 艺完成之后，硅母片切割之前的测试，叫做母片测试或称母片筛选，在对母片 进行测试时利用探针卡上提供的一组探针，将探针加到芯片的封装腿上，然后 产品测试仪将由测试程序产生的信号加到这些探针上，观察芯片的测试响应。 在母片测试完成之后，就可对母片进行切割，并对合格的芯片封装。 第二步就是对己经封装好的集成电路进行终测( 或者叫成测) ，测试矢量一 般采用与母片测试时相同的测试矢量，经过成测合格之后的产品才到达用户手 中。如果产品数量较大，或者用户本身有条件的话，用户还可以做g o o di nw o r d 测试。有时一些用户会将集成电路直接插至g p c b 板上，然后对电路板做测试。 本文采用的就是这样的测试方式。 1 4 论文安排 本文首先在第二、三章介绍了数据采集时的误差处理理论以及测试参数的定 义，接下来在第四章介绍了对不同参数的测量方法。在第五章中介绍了用 6 浙江大学硕士学位论文 m a t l a b 实现参数计算时的一些方法和公式。最后一章给出了作者对参数的改进 和对数据处理理论的改进。 本文着重于对数据的误差处理和有实验数据得出实验参数的算法分析，尤 其在对实验数据进行处理得出实验参数时，是本文的重点和难点，通过对f f t 理论的分析最后实现了对这些实验参数的计算。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章数据采集中的误差处理 在对数据进行分析之前，首先要进行数据采集并能保证其正确性。但是在 采集的过程中肯定会有误差的影响，本章就将介绍一些相关的理论。 2 1 误差的概念与表示方法 2 1 1 测量误差 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。一个量在被观测时，该 量本身所具有的真实大小称为真值。但是在测量中，人们通过实验的方法求得 被测量的真值时，由于对客观规律认识的局限性、测量器具不准确、测量手段 不完善、测量条件发生变化及测量工作中的疏忽或错误等原因，都会使测量值 与真值不同，这个差别就是测量误差。 因此，误差就是测量值( 或称测得值、测值) 与真值之差，可用下式表示： 误差= 测量值一真值 例如，在电压测量中，真实电压为5 v ，测得的电压为5 3 v ，则： 误差= 5 3 - 5 = + 0 3 v 误差在测量中是难以避免的。因为被测量的真值虽然是客观存在的，但却 又难以获得，所以实际上人们允许有一定误差的存在。片面追求小误差会造成 人力物力的浪费。 2 1 2 误差的表示方法 测量误差通常采用绝对误差和相对误差两种表示方法。 1 绝对误差 定义：被测量的测量值x 与其真值a 。之差，称为绝对误差。 a x = x a 0 当x a 。时，绝对误差) ( 是正值，反之为负值。所以) ( 是具有大小、正负和 量纲的数值。 前面已经指出，在实际测量中真值难以获得，一般用高一级或更高级的标 准仪器或计量器具所测得的数值作为“约定真值”。约定真值通常能满足实际应 用中规定的准确度要求，因此通常称为“实际值”，用a 表示，这时绝对误差写 成 a x - - x a 修正值：与绝对误差大小相等，符号相反的量值称为修正值，一般用c 表 不o c = 一x = a x 在测量时，利用测量值与已知的修j 下值相加，就可以算出被测量的实际 值。 a = x + c 浙江大学硕士学位论文 测量仪器应当定期送计量部门进行检定，其目的之一就时获得准确的修j 下 值( 可以是表格、曲线或函数表达式) ，以保证量值传递的准确性。同时，使用 修正应在仪器的检定有效期内，否则要重新检定。 必须指出，修正值本身也有误差，修正后的数据只是比较接近实际值而 已。 2 相对误差 绝对误差虽然可以说明测得值偏离实际值的程度，但不能说明测量的准确 程度。 通常，绝对误差x 较小，而a 0 ( 真值) 、a ( 实际值) 、x ( 测量值、示值) 相差 不大，在要求不太严格的场合，为了方便，多用被测量的示值x 作比较，称为测 量值或示值相对误差。 相对误差示两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。常 用的相对误差形式有三种。 1 ) 测量值( 示值) 相对误差 测量值( 或示值) 相对误差示用绝对误差与仪器测得的指示值之比来表示相 对误差，记为： 以：笪1 0 0 x 2 ) 满度( 引用) 相对误差 满度( 引用) 相对误差示用绝对误差与仪器某量程的上限( 即满度值) x 。之比来 表示相对误差，记为 ，。：垒1 0 0 x “ 满度相对误差多用于电工仪表，为了计算和划分电表准确度等级的方便， 分母用电表量程满刻度值作为比较基准，一般用s 表示。并把电工仪表划分为七 个等级，如下表所示： 士s ：a x 1 0 0 x “ 3 ) 用分i j l ( d b ) 表示相对误差 相对误差也可用对数形式( 分贝数) 表示，主要用于功率、电压增益( 衰减) 的 测量。 功率等电参数用d b 表示的相对误差为： y m = 1 0 l g ( 1 + 马d b 电压、电流等参数用d b 表示的相对误差为： ，：2 0 l g ( 1 + 坐) = 2 r a 9 0 + 儿) d 8 9 浙江大学硕上学位论文 2 1 3 误差的性质与分类 按照误差的特点和性质，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差三 类。 1 系统误差 在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或者在条 件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。 产生系统误差的原因有很多，但都有一定的规律性，在实际测量中可以分 析系统误差产生的原因，采取一定的技术措施以消除或减小系统误差。 2 随机误差 在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不同预定方式变化 的误差，称为随机误差。 随机误差产生于多种因素的同时作用，这些因素互不相关，没有规律，如 噪声干扰、电磁场的变化、空气扰动、大地微震等无规律的微小因素，这些因 素的总和会对测量值产生可以察觉到的影响。 随机误差性质类同概率伦中的随机变量，因此要用概率统计的方法进行处 理。 3 粗大误差 在一定条件下，测量值明显偏离其实际值所对应的误差，称为粗大误差。 粗大误差产生的原因主要时读数错误、测量方法不对、瞬间干扰、仪器工 作不正常等。 2 1 4 测量结果的评价 通常，习惯用精度高低来描述测量结果误差的大小，误差小，则精度高。 但测量误差中可能包含有系统误差、随机误差和粗大误差，剔去容易判断的粗 大误差之后，某次测值的测量误差a x 。可用下式表示： x 1 = 。+ 8 1 式中，a x i 为第i 次测量的绝对误差，为系统误差，6 ，为随机误差。 在有限次测量中，；和6 。可能同时存在，但对测量结果的影响程度可能不 同，因此对精度的评价可以进一步分为以下几种。 1 准确度 它反映测量结果中系统误差的影响程度。系统误差小，则准确度高，但可 能存在较大的随机误差。 2 精密度 它反映测量结果中随机误差的影响程度。随机误差小，则精密度高，但可 能存在系统误差。 3 精确度 它反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度。系统误差和随机 误差都较小，则精确度高。 o 浙江大学硕士学位论文 2 2 测试仪器对信号的影响 在测试过程中，最重要的是要保证信号的纯洁性，将噪声和失真尽量去 除，只有这样才能尽量减小误差，从而保证示波器或者逻辑分析仪记录下来的 是真实可靠的数据。本节将阐述在测试过程中应如何注意这些问题。 在测试过程中，与测试电路板连接在一起的仪器有信号发生器、示波器以 及逻辑分析器，这些仪器在工作的同时也会作为一种负载连接在电路板上从而 带来一些影响。 例如在测试某个电路的电流时，我们要求连接入电路中的电流表的电阻近 似为零，只有这样才能保证电路中的电路不受影响，不会因为接入的电流表而 改变了电路的原有特性。同样的，若是接入测试板的仪器使输入a d c 的模拟电 压发生变化则此时a d c 的数字输出就不能与此时信号发生器所产生的信号相对 应，则之后所做的数据分析都是不正确的。 在对芯片的测试中，需要保证的是外部测试仪器和测试电路不会互相影 响。从测试仪器的角度来看，测试电路相当于它的外部电路，因此需要使测试 仪器不会受到其他仪器和测试电路的影响，即由仪器输出的信号和输入仪器的 信号保持一定的纯净度。同样地，作为测试电路来说，所有的外部仪器都是作 为电路的负载接入电路的，这就要求在设计测试电路时就应考虑这些负载对电 路的影响，如果只是按照正常情况设计测试电路就会在仪器连接到电路板上时 使电路板负载增加，尤其是在工作频率较高时会对测试电路的工作带来较大的 影响，从而有可能影响测试结果的正确性。 2 2 1 逻辑分析仪中探头对测量的影响 随着时钟速率的加快，逻辑分析仪探头就不能任意连接到系统上就能够保 证测试成功，而是必须考察探头位置、负荷及与传输线的邻近程度等因素。 任何类型探头的目标都是尽可能对系统提供最小的电负荷。如果探头对系 统性能的影响太大，那么探头将不能帮助设计人员检验系统，因为探头可能引 起系统发生变化的。因此，必须能够预测探头对系统的影响，而不管其是可以 忽略不计，还是占主导地位。 在较低频率上，电阻会主导探头阻抗，此时对目标的影响最小。这是因为 探头阻抗一般在2 0 k q ，而目标一般在5 0 - 7 5 q 。两个阻抗并联，会产生最接近 目标的阻抗。在频率提高时，探头开始引入电容，其阻抗开始滚降。一旦阻抗 达到目标阻抗的数量级上，来自探头的反射会成为重要问题。此外，在超高频 率上，探头会引入电感，阻抗将提高。探头负荷的电容和电感会形成谐振。逻 辑分析仪探头的目标是尽可能提高谐振的频率。此外，谐振的阻抗应尽可能 高，如果探头阻抗下降到1 0 - 2 0 q 范围内，探头将分流出目标系统较高的频率成 分。 为迅速估算探头的影响，可以使用集总电容探头模型。逻辑分析仪探头厂 商对每种探头形状提供了估算的集总电容。在使用等效集总电容时，可以确定 时间常数，支持端接电阻或传输线的阻抗。然后可以在系统时间常数的均方根 之和中使用这种等效电容。一旦确定整体系统时间常数，可以把其转换成上升 时间和带宽，预测探头对系统整体的影响。 浙江大学硕上学位论文 由于探头是电路的一部分，而电路也是探头的一部分，因此可以预测两个 感兴趣的点的影响( 即接收机和探针) 。探头的影响中一个主要变量是其在目标 传输线上的位置。通过其在传输线上的相对位置，可以确定探头导致的反射。 反射影响的严重程度取决于目标系统( f l o 轨迹长度、端接方案、电压余量等) 。 探针和目标信号之间敷设的轨迹长度称为短线。短线探测是指探针不能直 接放在目标的传输线上。短线可以由p c b 轨迹、导线或连接器引线组成。由于 p c b 上的布局限制，很难避免短线探测。问题是探针离传输线的距离必须有多 近，同时仍能在系统和逻辑分析仪中实现可以接受的性能。 在谈论传输线时使用的经验法则也适用于逻辑分析仪短线。经验法则取决 于系统上升时间，对逻辑分析仪，建议短线的电长度不超过系统上升时间的 2 0 。此时可以把短线视作阻尼电阻，而不是分布式传输线。但是，在短线长 度提高时，电容会大幅度提高，在某一点上，电容会超过探头的总电容。 很明显，在探针和被探测的系统之间增加一条短传输线会严重影响目标接 收机和逻辑分析仪探针上的信号质量。在探针不能直接放在目标系统上时，改 善探头和系统性能的方式之一是采用“阻尼电阻器探测”的方法。通过直接在目 标上插入一个阻尼电阻器，可以在探针上容忍更长的一段短线。阻尼电阻器有 两种用途：首先，它把目标系统与短线探头的电容负荷隔丌。其次，它消耗短 线上的反射能量，从而使得逻辑分析仪能够观察到更清楚的信号。 2 3 噪声对测量的影响 在测试当中肯定会引入噪声，噪声会由很多种原因所产生。本节主要考虑 的是在测试板中产生的噪声和信号从信号发生器传输到测试板时所产生的信 号。 不论什么样的测试板都会产生一定的噪声，我们所能做的只能尽量合理的 布线以尽量少产生噪声。 2 3 1p c b 布线理论 1 妥善敷设印制导线 布线是p c b 设计图形化的关键阶段，设计中考虑的许多因素都应在布线中 体现出来，合理布线可使p c b 获得最佳性能。p c b 上铜箔导线的布局、相邻导 线间的串扰等决定p c b 的抗扰度。从抗干扰性考虑，布线应遵循的设计、工艺 原则有： a ) 只要满足布线要求，布线面优先考虑选择单面板，其次是双面板、多 层板。布线密度综合结构、电性能要求等合理选取，力求布线简单、均匀；导 线最小宽度和间距一般不应小于o 2 m m ，布线密度允许时，适当加宽印制导线 及其间距。 b ) 电路中主要信号线最好汇集于板中央，力求靠近地线，或用地线包围 它，信号线、信号回路线所形成的环路面积要最小；尽量避免长距离平行布 线，电路中电气互连点间布线力求最短；对信号( 特别是高频信号) 导线拐角， 应设计成1 3 5 走向，或成圆形、圆弧形，切忌画成9 06 或更小角度形状。 2 浙江大学硕士学位论文 c ) 相邻布线面导线采取相互垂直、斜交或弯曲走线，以减小寄生藕合； 对高频信号导线切忌相互平行，以免发生信号反馈或串扰，或在两条平行线问 增设一条地线。 d ) 妥善敷设与外相连信号线，尽量缩短输入引线，提高输入端阻抗。对 模拟信号输入线最好加以屏蔽，当板上同时有模拟、数字量时，宜将两者地线 隔离，以免相互干扰。 e ) ，妥善处理逻辑器件多余输入端。将与与非门多余输入端接“1 ”( 切忌悬 空) ，或或非门多余输人端接v s s ，计数器、寄存器、d 触发器等空闲位置复位 端，经上拉电阻接v c c ：触发器多余输入端必须接地。 f ) 用标准元器件封装。如需创建元器件封装时，焊盘孔距应与器件管脚 间距一致，以减d , i j l 线阻抗及寄生电感。布设导线时尽量减少金属化孔，以提 高整块p c b 的可靠性。 2 合理布置器件 板上器件布局不当是引发干扰的重要因素，所以应全面考虑电路结构，合 理布置p c b 上的器件。首先根据需要确定p c b 的大小和形状，尺寸过大会使印 制导线加长、增加阻抗、降低噪声容限：尺寸过小不利散热，邻近导线、器件 易发生感应。 在p c b 上布置元器件时，原则上应将输入、输出部分分别布置在板的两极 端；电路中相互关联器件尽量靠近，以缩短器件间连接导线的距离；工作频率 接近或工作电平相差大的器件应相距远些，以免相互干扰。如常用的以单片机 为核心的小型开发系统电路，在绘带l j p c b 图时，宜将时钟发生器、振荡器等易 产生噪声的器件，相互靠近布置，将有关逻辑电路部分尽量远离一些。同时考 虑电路板在柜内的安装方式，最好将r o m 、r a m 、功率输出器件、电源等易发 热器件布置在板的边缘或偏上方部位，以利于散热。 在p c b 上布置逻辑电路，原则上应在输出端子附近放置高速电路，如光电 隔离器，稍远处放置低速电路、存储器，以便处理公共阻抗祸合、辐射、串扰 等问题。在输入、输出端放置缓冲器，用于板间信号传送，可有效地防止噪声 干扰。 电路板上装有高压、大功率器件时，与低压、小功率器件应保持一定的间 距，尽量分开布线；在大功率、大电流元器件周围不宜布设热敏器件或运算放 大器等，以免产生感应或温漂。 2 3 2 滤波器理论 滤波器是对频率有选择作用的一种网络，它能使某一频带的交流电顺利通 过，而使其它频率的交流电受到很大的衰减。 滤波器的种类很多，按作用分有带通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器、 低通滤波器、波形滤波器；按构造分有l c 滤波器、机械滤波器、晶体滤波器和 陶瓷滤波器等。 在此处，当采用直方图分析法时，将模拟信号经过b u t t e r w o r t h 低通滤波器 再输入测试板：当采用f f t n 试法时，则将模拟信号经过c h e b y s h e v 滤波器，滤 掉信号的噪声和失真。 浙江大学硕士学位论文 1 b u t t e r w o r t h 低通滤波器 懒袱：| 致“2 丽1 濮蚋黼潞黼毵q 椭椭止 频率。在q - o 处，有最大值l s 。( o ) = 昧在通带截止频率q = q l 处，不同阶次的幅频 量值都相同，即为i h 。0 q ) p o 7 0 7 h 。( o ) l ；阶数n 增加时，通带幅频特性变平，阻 带衰减更快，逐渐趋近于理想滤波器的幅频特性。幅频特性通常用衰减函数 一2 0 l o g l oj 凰( i o ) h 。( 0 ) l 描述。 2 c h e b y s h e v 低通滤波器 c h e b y s h e v 滤波器最主要的特点是引入了c h e b ) ，s h e v 多项式。这是其特殊幅 频特性的数学基础。 c h e b y s h e v 多赋c ( q ) - 篙! 嚣；1 ，q 为信号的模拟角频 率。 由此多项式可以得出如下特性：吲曼1 时，c n ( q ) 在一1 和1 之间波动；q = l 时，c n ( q ) = l ；q = o 时，若n 为奇数，则c n ( q ) = o ；若n 为偶数，则睬( q ) 等于 1 或一1 ；l a z l l 时，c n ( q ) 随q 单调增大，n 越大，c n ( q ) 的增幅越大。幅频特 性：i h ：( j n ) 1 2 j 南 2 4 小结 本章主要介绍了一些在采集数据过程中以及之后要进行的误差处理理论， 主要包括减小测量时的误差和数据采集后怎样进行一定的修正和处理从而减小 误差的影响。通过这些理论的介绍可以更好的阐述接下来章节中对误差的具体 处理。这样才能保证在计算测量参数时所使用的实验数据是正确的。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第三章a d c 测试参数计算的理论 当我们对测试数据进行了误差分析使得此时记录下来的是可以用计算机进 行处理的j 下确数据时，我们就要对这些数据进行仔细的分析，得出想得到的参 数，这样才可以直观的反映出a d c 芯片质量的好坏，是否能正常工作。以下介 绍各种参数的定义和计算方法以及些对实验数据进行处理的理论，从而为接 下来的章节对这些数据的具体处理作好理论铺垫。 3 1 参数定义 表征a d c 性能的参数主要分为静态参数和动态参数，静态参数主要表征 a d c 在静态不变的环境下的性能表现，因此其测试就要求输入信号在a d c 转换 时刻保持不变。动态参数主要表征a d c 在动态变化的环境下的性能表现，因此 其测试就要求输入信号是时间的函数，即是变化的。 由于a d c 品种繁多，针对不同的应用，a d c 所要求的参数侧重也不一样， 因此，目| j 为止，a d c 的参数定义还没有一个统一的标准。本文仅对部份参数 进行讨论。下述定义是根据目前国际上比较知名的几家公司f 如a d 公司，b b 公 司，m a x i m 公司，国家半导体公司等) 的产品资料及国标g b 7 0 1 5 8 6 综合整理 得出的。 失调误差 失调误差也叫零误差，e p z e r oe r r o r ，缩写为e z 。 a d c 的失调是由于a d c 中所用的运算放大器、比较器存在失调电压和失调 电流而引起的。 a d c 的失调定义为a d c 完成从0 到一个l s b 转换所要求的实际输入电压与 理想的输入电压( 单极为i 2 l s b ，双极为f s + i 2 l s b ) 之差。常用l s b 来表示。 e z ：鼍岽益( t s b ) 1 上s 艿 微分非线性 微分非线性，即d i f f e r e n t i a ln o i l l i l l e 撕t ) r ，缩写为d n l ，微分非线性定义为 a d c 实际转换特性的码宽与理想码宽( i l s b ) 的相对偏差，参数表中一般取其最 大值。常用l s b 来表示。 蹦：坠匣里童二堡塑趔f 瑚1 积分非线性 积分非线性，e p i n t e g r a t e dn o n l i n e a r i t y ，缩写为i n l 。 积分非线性定义为实际转换曲线相对于理想转换曲线的偏差。参数表中一 般取其最大值。常用l s b 来表示。 在各公司的手册上，为了提高i n l 参数值，常用最佳拟合曲线取代理想转 浙江大学硕十学位论文 换特性曲线。 i n l ：堡亘1l二sb垒塑(lsb)1lsb 失码 失码是当模拟输入在满量程范围变化时，a d c 有一个或多个代码不出现的 现象。为保证不失码，要求每一种码组合在模拟输入电平增加时，能以单调增 加的顺序出现。 无失码在a d c 参数表中常作为一项功能保证。 增益误差 增益误差亦称为满刻度误差，e 1 g a i ne r r o r ，缩写为g c 。 增益误差定义为a d c 输出满刻度输出码时的实际输入电压与理想输入电压 之差。常用l s b 表示或f s l t 表示。 或 信噪比 艮：蝗1 型l s b 型( s b ) e g ：坠f 型s r 型( 艘) 信噪比，e l i s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，缩写为s n r 。 s n r 是作为“信号”的基波频率分量的有效值( r m s ) 与作为“噪声”的直至1 2 采样频率的全部非基波和非谐波的频率分量( d c 除外) 的r m s 和之比，即： 厂矿、 s n r = 2 0 l o g ：等l ( d b ) v n o “e 各公司的差别主要在于由所取谐波的阶数的差异引起“噪声”的不同计算 上。 信噪失真比 从理论上说，s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 d b ，式中，n 是a d c 的分辨率位数。实际的 采样a d c 除理论上的量化噪声以外，还包括由于a d c s e 线性、采样时的孔径抖 动等引起的失真。所以，实际的a d c 得到个小于理论值的包括噪声和失真的 信噪失真比。 信噪失真比，即s i g n a l - t o n o i s e + d i s t o r t i o nr a t i o ，缩写为s i n a d 。 s 1 n a d 定义为作为“信号”的基波频率分量的i t m s 与作为“噪声”的直至1 ，2 采 样频率的全部非基波、非谐波的频率分量( d c 除外) 的r m s 之和以及作为“失真” 的全部谐波频率分量的r m s 之和的和之比。即： 厂t ，、 删d = 2 0 l o g , v s i g n a l = j ( d b ) 1 6 浙江大学硕士学位论文 总谐波失真 总谐波失真。即t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，缩写为t h d 。 t h d 定义为基带频谱内全部谐波频率分量的r m s 之和与基波频率分量的 r m s 之比。即： 一妣g ( 昔 c 鳓 各公司的差别主要在于所取谐波的阶数上。 等效比特位数 等效比特位数，b e q u i v a l e n t n u m b e ro f b i t s ，缩写为e n o b 。 s n r ( 或s i n a d ) 的一种直观表示是e n o b ，可以说e n o b 只是s n r ( 或s i n a d ) 的另一种表示方式。 e n o b ：= ( s n r - 1 7 6 ) 6 0 2 或 e n o b ：= ( s i n a d - 1 7 6 ) 6 0 2 如果输入信号的幅度低于满量程，需要加一个修正因子v 。，即低于满量 程的输入信号电平，则： e n o b ：= s n r - 1 7 6 + v c o , , ( d b ) 或 e n o b ：= s i n a d - 1 7 6 + v c o , , ( d b ) 6 0 2 无假信号动态范围 无假信号动态范围，b p s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ，缩写为s f d r 。 s f d r 定义为最大的谐波分量的r m s 与基波频率分量的r m s 之比，即： s f d r = 2 0 l o g 害c 如， 3 2a d c 的测试技术 在a d c 的参数特性中，都包含反映a d c 传递特性的一些参数，通常称之 为静态传递特性参数。典型的有非线性( 包括微分非线性，积分非线性) 、失 码、失调、增益等。其测试分为静态测试和动态测试，事实上，静态测试和动 态测试是相对而言的，其主要区别在于输入信号是否是时间的函数。 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 2 1 静态测试法和动态测试法 1 静态测试 方法一： 典型的静态测试如图3 1 所示，由一个稳定的电源产生的直流信号或者斜波 信号经过滤波器之后输入a d c ，a d c 的输出信号再输入一个( 数一模转换 器) d a c 。此时，逻辑分析仪器通过分析d a c 的输出就可以得出偏离量和增益误 差。每一个模拟输入量和与之对应的d a c 输出量之间都有一个偏差，记做 v d i f f 。其中，在a d c 量化电压处的v d i 蒯t 是此处的d n l ：而对应每一个输入电压 的v d 。就是此处的i n l 。这种方法比较直观，可以很清楚的从逻辑分析仪器或者 绘图仪中直接读出i n l 和d n l 。而且速度较快，因为其中并没有比较大的数据 处理，所以可以很快的得出计算结果。这种方法适用于高速和低速的a d c 一般 测试。 图3 1 典型的静态测试法 方法二： 改进后的静态测试如图3 2 ，它运用伺服环技术来测试上述静态传递特性参 数。其中包括一个积分电路，两个电流源和一个数字比较器。这样就构成了一 个反馈电路。如果反馈为正的话比较器就会控制电流源产生一个流向积分电路 的电流，在理想的情况下这会使得积分电路产生一个三角波信号作为a d c 的输 入。最终使得a d c 输出一个对应于已知二进制输入的输出，之后按照方法一中 的介绍就可以得到i n l 和d n l 。需要注意的是，在积分电路中为了减小电容的 存储作用的影响，需要挑选介电吸收率比较低的电容。 浙江大学硕士学位论文 图3 - 2 改进的静态测试法 这种测试方法简单，但很繁琐。另外输入信号变化很慢，不能表征a d c 在 动态环境下的特性。因此对于a d c 的动态测试，必须采用更好的测试方法。 2 动态测试 一种简单而有效的动态测试如图3 3 。 图3 3 动态测试法 这种方法将一满量程的正弦波信号v i 。送给被钡j j a d c ，然后记录下具有统计 意义的样本数，并以记录中代码出现的频率作为代码的函数绘出直方图，由此 可估计出失调、非线性、增益误差等参数。 码密度直方图分析法去掉了d a c 及模拟测试仪表，而直接对a d c 的输出代 码进行统计分析。避免了额外误差的引入，并克服了模拟测试仪表精度低、速 度慢、重复性差的缺点。目前该方法是测试高速a d c 的较好的方法之一。 1 9 浙江大学硕士学位论文 3 2 2f f t 分析理论 1 f f t 分析的引入 码密度直方图分析法在分析a d c 的失码、失调、微分非线性、积分非线 性、增益误差等动态传递特性参数时是一种相当方便的动态测试方法。但对于 a d c 来说，更重要的是描述噪声、失真等动态工作特性。另外，在动态工作的 情况下，积分非线性是频率的函数，即它是随频率变化的，虽然也能反映出噪 声、失真等特性，但并不直观。因此在a d c 的参数表中，常用s n r ，s i n a d ， t h d ，s f d r ，e n o b 等动态参数来表征a d c 的嗓声、失真等信息。 由s n r ，s 1 n a d ，t h d ，s f d r ，e n o b 等动态参数的定义可知，测试的关 键是获取a d c 输出数据的频谱分布。又a d c 的输出在时域是离散的，因此运用 离散付里叶变换( d f d 很容易将a d c 的时域输出变换到频域，由此得到a d c 输 出的频谱分布。快速付里叶变换( f f t ) 是d f t 的快速算法，它使a d c 的动态参数 运用计算机实现自动测试成为可能。 2 离散付里叶变换d f t 与逆变换i d f t 离散付里叶变换d f t 定义为： n - 1 彳( m ) = x ( n t a ) e 。却“” n = 0 其中，t c k 为a d c 的采样时间，肝= 0 , 1 2 ，一1 ，0 m n 一1 。 d f t 的计算次数与n 2 成j 下比，其快速算法f f t 的计算次数与n l 0 9 2 “成正比。 显然f f t 的计算次数已大大减少。但也正是由于f f t 的计算次数- 与n l 0 9 2 s 成比 例，使得运用f f t 进行分析要求n 为2 的幂次。 由d f t 的定义可知，d f t 将一个有限长度的离散序列映射成另一个有限长 度的离散序列，因而适合于用计算机进行处理。 d