基于FPGA的高性能DAC芯片测试与研究

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。