基于FPGA器件的DAC芯片参数回路测试方法分析
d/a 转换器作为连接数字系统与模拟系统的桥梁，不仅要求快速、灵敏，而且线性误差、信噪比和增益误差等也要满足系统的要求[1]。因此，研究dac 芯片的测试方法，对高速、高分辨率dac 芯片的研发具有十分重要的意义。
目前，波形测量和分析协会已提出了dac 测试的技术标准ieee std.1057，里面的术语和测试方法为dac 测试提供了更多的参考。传统的标准测试只适于信号发生器、示波器等测试仪器，但是测试精度不高；大规模芯片测试时则使用自动测试设备（ate），但是成本很高；最近提出的dac 的测试方法，比如结合v777 数字测试系统可以进行dac 测试，应用模拟滤波器进行音频dac 测试，利用数模混合信号测试系统quartet 对高速dac 进行测试，等等[5]，这些方法在通用性、精确度和成本方面无法同时满足。为了达到上述要求，提出了基于fpga 的高性能dac 芯片回路测试法。
1 dac 主要技术参数
dac 的主要技术参数基本上可以分为静态特性参数和动态特性参数。dac 的静态特性参数用来确定其转换的精确度，主要包括失调误差（offset error）、增益误差（gain error）、积分非线性误差（inl）以及微分非线性误差（dnl）等。dac动态特性参数用来确定其交流条件下的性能，主要包括信噪比（snr）、信号噪声和失真比（sinad）、有效位数（enob）、总谐波失真（thd），以及无杂散动态范围（sfdr）等。
2 测试方案
2.1 设计原理
dac芯片参数回路测试法，就是将待测信号形成一个完整的信号回路。首先，使用fpga 产生待测信号，经过dac芯片后转换成模拟信号，再经过滤波、放大电路和adc 芯片转换成数字信号，存储在fpga 的ram 里，然后使用quartusii 软件signal tap ii 工具取出数据，导入matlab 软件后，就可以对数字信号进行分析和计算，从而得到dac 的技术参数[6]。在adc 采样之前使用模拟信号接收器，如示波器、频谱仪等，可与后端测试结果比较分析。设计原理如图1 所示。
由于fpga 使用非常灵活，通过配置不同的编程数据可以产生不同的电路功能，对于不同分辨率和采样速度的dac芯片都可以进行参数测试；滤波和运算放大电路尽可能地降低信号在转换和传递过程中的噪声；数字信号在分析和计算方面比模拟信号更加准确，保证了测试系统的精确度；相对于其他dac 测试系统来说，本测试方案使用的元器件比较少，成本比较低。
图1 设计原理
2.2 硬件实现
dac 使用12 位分辨率、250 ms/s 采样速度的dac 芯片，芯片采用lvds 差分电路、ptat 基准源以及4+4+4 电流源阵列等关键技术设计，可以满足高速高分辨率转换电路处理的要求。fpga 是altera 公司cyclone iii 系列ep3c25q240c8 芯片，功耗小，系统综合能力强，价格较低，包含了24*个逻辑单元、594 kbit 内存空间和4 个锁相环，硬件资源完全可以满足测试的要求[8] 。adc 是linear 公司的ltc2242-12 芯片，交流特性非常好，降低了测试系统带来的误差。运算放大器是adi 公司的ad8008 芯片，非常好的驱动特性保证了dac 芯片输出信号的质量，提高了dac 的驱动能力。
2.3 软件设计
软件代码采用硬件描述语言verilog实现。fpga产生待测信号包括test（全零、全一等）、ladder（阶梯波）和sin（正弦波）。其中test信号用于测试dac芯片的静态特性参数失调误差和增益误差，ladder信号用于测试dnl和inl，sin信号用于测试动态特性参数snr、sinad、enob、thd和sfdr。
数据分析和计算过程主要通过matlab 软件实现。dac 芯片输入全零和全一信号，可计算出失调误差和增益误差；使用阶梯波信号测试inl 和dnl 时，为了测试精确度，将12位输入数据分成高中低各四个位进行测试。dac 的动态特性参数测试采用快速傅里叶变换的方法，将signal tap ii 工具取出数据经过fft 和其他运算，得到snr、sinad、enob、thd 和sfdr 等动态特性参数，它们可以全面地反映dac 的动态特性，这里精确到14 阶谐波。
3 测试结果
test 信号测试：dac输入全一状态的输出电压为760 mv,输入全零状态的输出电压为276 uv，经过matlab 计算，失调误差是0.036%，增益误差是3.63%。
ladder 信号测试：在计算inl 和dnl 时，dac 输入高中低各四个位的测试原理相同，以中四位为例来介绍。n=12，i 从24～28 位变化，用1lsb 来表示，测定输出的15 次（step）阶梯波，转换成电压值，部分数据如表1 所示，每列数据分别表示阶数、测试最小值、测试最大值、测试平均值、理想数值以及考虑小电流影响后最终电压值。使用matlab 软件分析数据后得到inl 和dnl 曲线如图2 和图3 所示。
表1 15 次阶梯波电压值
图2 inl 分析曲线
图3 dnl 分析曲线
sin 信号测试：输入正弦波频率25 khz，ad 采样率为100 mhz/s，输出数字信号经过matlab 分析计算后，测得snr是58 db,sinad 是57.75 db,sfdr 是62.84 db,thd 是58.62 db,enob 是9.3 位。时域波形和fft 变换后14 阶谐波的频谱如图4 和图5 所示。
图4 sin 信号输出时域波形
图5 sin 信号输出频域波形
4 结语
以12 位、250 ms/s dac 芯片为例，在fpga 的基础上使用回路测试法，测试了其静态特性参数和动态特性参数。实验结果表明，可以有效地测试dac 芯片的静态特性参数和动态特性参数。同时可以测试不同分辨率和采样速度的dac 芯片，测试结果比普通模拟测试仪器的精度高，测试系统比专用dac 自动测试设备成本低。
骁龙顶级处理器之间的差别在哪？
拼接型短波红外探测器的光谱响应特性分析
HUAWEIP20Pro怎么样 值不值得买
关于远程预付费系统平台在生活广场中的应用
小米6最新消息：2499元！小米6京东预约量曝光：已超82万人
基于FPGA器件的DAC芯片参数回路测试方法分析
说一下瑞萨RA2L1结合红外传感器控制不同的LED灯
非常见问题解答:浅谈转换器的噪声（2）
Dell EMC PowerStore将性能水平提升到了一个新的高度
中国电信在江苏5G发展已进入快车道，最快速度达8Gbps
梁斌针对5G千兆网产业的发展提出三点建议
新版UL 1973认证标准：关于钠离子电芯详解
MAX9867 超低功耗立体声音频编解码器
福禄克发布全新Fluke 562和Fluke 563手持式红外测温仪
用于工业AI的Jetson AGX Xavier模块
Keil C51是如何支持双数据指针，有哪些特别的要求
理想汽车2020财报解读：首次实现季度盈利
监控摄像机产品的分辨率和清晰度的选择
人工智能在精神病学的应用，能比人类更好
无线技术如何改变预测性维护
目前，波形测量和分析协会已提出了dac 测试的技术标准ieee std.1057，里面的术语和测试方法为dac 测试提供了更多的参考。传统的标准测试只适于信号发生器、示波器等测试仪器，但是测试精度不高；大规模芯片测试时则使用自动测试设备（ate），但是成本很高；最近提出的dac 的测试方法，比如结合v777 数字测试系统可以进行dac 测试，应用模拟滤波器进行音频dac 测试，利用数模混合信号测试系统quartet 对高速dac 进行测试，等等[5]，这些方法在通用性、精确度和成本方面无法同时满足。为了达到上述要求，提出了基于fpga 的高性能dac 芯片回路测试法。
1 dac 主要技术参数
dac 的主要技术参数基本上可以分为静态特性参数和动态特性参数。dac 的静态特性参数用来确定其转换的精确度，主要包括失调误差（offset error）、增益误差（gain error）、积分非线性误差（inl）以及微分非线性误差（dnl）等。dac动态特性参数用来确定其交流条件下的性能，主要包括信噪比（snr）、信号噪声和失真比（sinad）、有效位数（enob）、总谐波失真（thd），以及无杂散动态范围（sfdr）等。
2 测试方案
2.1 设计原理
dac芯片参数回路测试法，就是将待测信号形成一个完整的信号回路。首先，使用fpga 产生待测信号，经过dac芯片后转换成模拟信号，再经过滤波、放大电路和adc 芯片转换成数字信号，存储在fpga 的ram 里，然后使用quartusii 软件signal tap ii 工具取出数据，导入matlab 软件后，就可以对数字信号进行分析和计算，从而得到dac 的技术参数[6]。在adc 采样之前使用模拟信号接收器，如示波器、频谱仪等，可与后端测试结果比较分析。设计原理如图1 所示。
由于fpga 使用非常灵活，通过配置不同的编程数据可以产生不同的电路功能，对于不同分辨率和采样速度的dac芯片都可以进行参数测试；滤波和运算放大电路尽可能地降低信号在转换和传递过程中的噪声；数字信号在分析和计算方面比模拟信号更加准确，保证了测试系统的精确度；相对于其他dac 测试系统来说，本测试方案使用的元器件比较少，成本比较低。
图1 设计原理
2.2 硬件实现
dac 使用12 位分辨率、250 ms/s 采样速度的dac 芯片，芯片采用lvds 差分电路、ptat 基准源以及4+4+4 电流源阵列等关键技术设计，可以满足高速高分辨率转换电路处理的要求。fpga 是altera 公司cyclone iii 系列ep3c25q240c8 芯片，功耗小，系统综合能力强，价格较低，包含了24*个逻辑单元、594 kbit 内存空间和4 个锁相环，硬件资源完全可以满足测试的要求[8] 。adc 是linear 公司的ltc2242-12 芯片，交流特性非常好，降低了测试系统带来的误差。运算放大器是adi 公司的ad8008 芯片，非常好的驱动特性保证了dac 芯片输出信号的质量，提高了dac 的驱动能力。
2.3 软件设计
软件代码采用硬件描述语言verilog实现。fpga产生待测信号包括test（全零、全一等）、ladder（阶梯波）和sin（正弦波）。其中test信号用于测试dac芯片的静态特性参数失调误差和增益误差，ladder信号用于测试dnl和inl，sin信号用于测试动态特性参数snr、sinad、enob、thd和sfdr。
数据分析和计算过程主要通过matlab 软件实现。dac 芯片输入全零和全一信号，可计算出失调误差和增益误差；使用阶梯波信号测试inl 和dnl 时，为了测试精确度，将12位输入数据分成高中低各四个位进行测试。dac 的动态特性参数测试采用快速傅里叶变换的方法，将signal tap ii 工具取出数据经过fft 和其他运算，得到snr、sinad、enob、thd 和sfdr 等动态特性参数，它们可以全面地反映dac 的动态特性，这里精确到14 阶谐波。
3 测试结果
test 信号测试：dac输入全一状态的输出电压为760 mv,输入全零状态的输出电压为276 uv，经过matlab 计算，失调误差是0.036%，增益误差是3.63%。
ladder 信号测试：在计算inl 和dnl 时，dac 输入高中低各四个位的测试原理相同，以中四位为例来介绍。n=12，i 从24～28 位变化，用1lsb 来表示，测定输出的15 次（step）阶梯波，转换成电压值，部分数据如表1 所示，每列数据分别表示阶数、测试最小值、测试最大值、测试平均值、理想数值以及考虑小电流影响后最终电压值。使用matlab 软件分析数据后得到inl 和dnl 曲线如图2 和图3 所示。
表1 15 次阶梯波电压值
图2 inl 分析曲线
图3 dnl 分析曲线
sin 信号测试：输入正弦波频率25 khz，ad 采样率为100 mhz/s，输出数字信号经过matlab 分析计算后，测得snr是58 db,sinad 是57.75 db,sfdr 是62.84 db,thd 是58.62 db,enob 是9.3 位。时域波形和fft 变换后14 阶谐波的频谱如图4 和图5 所示。
图4 sin 信号输出时域波形
图5 sin 信号输出频域波形
4 结语
以12 位、250 ms/s dac 芯片为例，在fpga 的基础上使用回路测试法，测试了其静态特性参数和动态特性参数。实验结果表明，可以有效地测试dac 芯片的静态特性参数和动态特性参数。同时可以测试不同分辨率和采样速度的dac 芯片，测试结果比普通模拟测试仪器的精度高，测试系统比专用dac 自动测试设备成本低。
骁龙顶级处理器之间的差别在哪？
拼接型短波红外探测器的光谱响应特性分析
HUAWEIP20Pro怎么样 值不值得买
关于远程预付费系统平台在生活广场中的应用
小米6最新消息：2499元！小米6京东预约量曝光：已超82万人
基于FPGA器件的DAC芯片参数回路测试方法分析
说一下瑞萨RA2L1结合红外传感器控制不同的LED灯
非常见问题解答:浅谈转换器的噪声（2）
Dell EMC PowerStore将性能水平提升到了一个新的高度
中国电信在江苏5G发展已进入快车道，最快速度达8Gbps
梁斌针对5G千兆网产业的发展提出三点建议
新版UL 1973认证标准：关于钠离子电芯详解
MAX9867 超低功耗立体声音频编解码器
福禄克发布全新Fluke 562和Fluke 563手持式红外测温仪
用于工业AI的Jetson AGX Xavier模块
Keil C51是如何支持双数据指针，有哪些特别的要求
理想汽车2020财报解读：首次实现季度盈利
监控摄像机产品的分辨率和清晰度的选择
人工智能在精神病学的应用，能比人类更好
无线技术如何改变预测性维护