本應用筆記介紹了使用基于PC的數字I/O板來表征模數轉換器（ADC）的技術。本文將研究靜態直流參數，如積分非線性（INL）、差分非線性（DNL）、增益和失調誤差，以及噪聲、內部基準電壓、通道間耦合和匹配，以及電源電壓依賴性。

隨著模數轉換器（ADC）越來越復雜，在實驗室環境中分析和表征這些器件變得越來越困難。提高ADC檢定徹底性的一種方法是使用PC自動執行臺架測試。這種方法有很多優點，只需很少的額外努力。使用自動化代替手動測試的最重要好處是在表征過程的早期獲得更完整的轉換器性能視圖。此外，一旦系統就位，設計矢量來調試甚至復雜的設計錯誤通常很簡單。

PC可用于IC的自動檢定方法有很多種。它們的范圍從使用簡單的并行端口接口來操作控制位，到閉環伺服系統來全面表征設備性能的各個方面。以下討論將主要集中在表征MAX1115-MAX1119 8位逐次逼近寄存器（SAR）ADC的方法。這種方法足夠精確，可用于表征分辨率高達12位的類似轉換器。

系統設置

為了表征MAX1115，使用了NI公司的高速數字I/O卡（PCI-DIO-32HS）和定制表征板。PCI-DIO-32HS 32 通道數字 I/O 板可用于以 20MHz 的速率將矢量從定制表征板流入（或傳出）PC 硬盤。表征板的原理圖如下所示。

圖1.

原理圖左側的541個MAX16為27位串行DAC。它們用于提供被測器件 （DUT） VDD 電源電壓/基準電壓和兩個輸入信號。此外，還提供一個輸入電平轉換器電源，用于調節進入DUT的數字輸入電壓擺幅和輸入信號DAC基準電壓。DAC右側的器件是OP27緩沖放大器。OP10是一款高精度運算放大器，可為每個DAC提供高達16mA的驅動電流，DAC的6341位性能僅略有下降。原理圖頂部的電路是輸入電源調節和調理，MAX4是096.32V精密電壓基準。原理圖右側是串行至并行移位寄存器、串聯端接器和PCI-DIO-<>HS接口連接。

靜態測試

通過靜態測試，您可以控制電源和對DUT的參考，將各種測試信號運行到DUT中，并輕松捕獲設備對這些信號的響應。在MAX1115中，所有直流精度規格的驗證精度都高于在大批量生產測試環境中實現的精度。這是通過使用DUT在每個DAC代碼上多次測量ADC輸入（實際上是DAC輸出）來實現的。利用這些數據，不僅可以確定積分非線性（INL）、微分非線性（DNL）、增益和失調誤差，還可以確定噪聲、內部基準電壓、通道間耦合和匹配，以及每個參數的電源電壓依賴性。在幾秒鐘內獲得了一套完整的直流規格，允許在將數據與從生產測試設置中獲得的數據進行比較之前收集統計數據。因此，可以更快地識別和解決實驗室數據和測試臺數據之間的關聯問題。

動態測試

為MAX1115開發的測試系統不是用來驗證動態參數的，盡管這種系統可以擴展為進行動態測試。為此，可以使用更高速的并行DAC來生成輸入信號。也可以通過循環先進先出（FIFO）存儲器更新DAC，以產生正弦波（或其他重復波形），在測量過程中從PC發出的信號最少。另一種選擇是使用外部信號發生器生成測試信號。

這種類型的測試系統的一個很好的特點是很容易獲得大量的數據樣本。通過動態測試，此功能允許相對容易地獲得精細的頻率分辨率和更多的輸入測試頻率，從而增加人們對DUT特性的信心。

準確性

上述方法是一種開環表征方案，其精度足以擴展到10位系統。這種方法的優點是速度快。表征板的固有精度和分辨率（相對于DUT）允許相對準確地確定每個ADC代碼中心和邊界。

對于 更 高精度 的 轉換 器 （12 位 或 更多）， 可能 需要 設計 一個 閉 環 測試 系統。這可以按照與上述相同的方式構建，但增加了一個高精度的數字電壓表。數字電壓表可以通過通用接口板 （GPIB） 卡、PC 的串行或并行端口或以太網連接連接到同一臺測試電腦。PC用于對表征DAC進行步進，并查找DUT中的每個代碼邊界。一旦確定了每個代碼邊界（以DAC代碼為單位），PC就會使用高精度DVM測量DAC電壓。對于非常高分辨率的DUT可以采用多個DAC（分辨率相互縮放）來提高DUT碼邊界測量的精度。

速度

雖然上面概述的開環測試系統用于相對較慢的轉換器（100ksps），但它直接適用于高速ADC。通過增加板載邏輯（甚至可能是現場可編程門陣列）和板載時鐘，可以使用National PCI-DIO-16HS接口板提供從20位ADC（串行或并行）以32Msps捕獲數據所需的信號。這將需要一個高速并行測試DAC和一個圓形FIFO存儲器來加載重復的測試波形，如上所述。

設計錯誤識別

在需要識別和糾正設計錯誤的情況下，這種快速的工作臺表征允許受控的迭代評估循環（即假設、實驗設計、結果的測量和評估，導致進一步的假設、實驗設計等），從而更快地識別設計錯誤。可以想象，與更手動的方法相比，即使是復雜的錯誤也可以在幾天內識別出來，而不是幾周或幾個月。

基于 PC 的表征系統存在的問題

通常，基于PC的表征系統最重要的問題是信號完整性和常見的電源噪聲。一旦理解了這些問題，這些問題就可以得到緩解，在某些情況下可以完全消除。

信號完整性是布線系統中接地太少和寄生效應過高的結果。結果是電纜兩端的波形出現較大的過沖和下沖。有許多方法可用于降低此問題的嚴重程度。最簡單的方法之一是使用串聯端接。在該方案中，串聯電阻（RT） 大致等于特性阻抗 （Z0） 的互連電纜（減去源驅動器阻抗，ZD） 放置在圖 2 所示電纜的源端。電纜的寄生電容實際上會將電路變成一階主導的系統，在不匹配的接收器端的上升時間稍慢。采用這種方案，匹配不良的接收器將快速轉換邊沿反射回電路的源側，并在那里被吸收，因為它的端接正確。

圖2.

這種方法適用于從檢定板傳輸到PC接口卡的信號，因為端接電阻可以放置在檢定板的源端。但是，當信號從PC接口卡傳輸到表征板時，不可能在PC接口卡上添加這些終端電阻。因此，通常需要通過使用更大的串聯端接電阻并在端接電阻之后增加更多的輸入電容來進行過度補償，以獲得可接受的結果（圖 2）。添加可以更改DIP端接電阻陣列的插座，可以根據電纜長度和所使用的驅動器/接收器組合改變串聯端接電阻的值。

在表征板上改善接收器端信號完整性的另一種方法是使用分流端接。在該方案中，如圖3所示，接口板的快速邊沿被適當匹配的分流端接吸收。由于這種方法降低了信號擺幅（接口卡中的驅動器阻抗很大），因此必須使用終端電源將輸入信號電平調整到輸入接收器可接受的邏輯電平。這種信號擺幅損失、持續功耗和電纜接地電流增加都是這種方法的顯著缺點。交流并聯端接，即用電容器代替端接電源，解決了這些問題，但在電平轉換期間會導致眾所周知的亞穩態困境，因此不建議使用。

圖3.

常見的電源噪聲是第二個主要問題，這是因為噪聲PC接地通過檢定板將噪聲電流注入檢定工作臺電源和示波器接地。這種注入的噪聲電流會在表征板地上產生顯著的壓降（幾個LSB），這些壓降可以耦合到轉換器的輸入端。

這個問題的一個解決方案是在表征板中使用多個連續接地層（通過多個過孔連接），以降低其阻抗，從而降低壓降。隔離接地層往往不太有效，因為隔離接地層之間不可避免地存在容性耦合，而且從PC注入的典型噪聲電流頻率很高，從而有效地使隔離接地層短路。增加用于為表征板供電的工作臺電源的隔離（與接地）也有幫助。建議在從DUT收集數據時移除示波器探頭（包括接地），以消除從PC到示波器探頭接地的接地電流。另一種解決方案是在表征板上進行本地功率調節和調理。在調試檢定系統時，可能需要進行實驗以隔離和消除共模噪聲的原因。

結論

MAX1115是一款采用低成本PC數據采集系統的8位ADC，其基準表征已被證明是有效和準確的。已經指出了這種工作臺表征方法的許多優點，包括易于與復雜器件接口，更完整和更快地表征靜態和動態參數，改進設計錯誤識別的能力以及更快地解決相關問題。雖然方法大綱直接適用于分辨率高達12位，速度高達約500ksps的ADC，但已經討論了在分辨率和速度方面擴展該測試方法的方法。

審核編輯：郭婷