所謂的混合信號測試，是指對A/D、D/A、鎖相環(huán)等兼有數(shù)字和模擬兩種信號的混合電路芯片的測試。混合信號測試的測試時間長、費用高、測試系統(tǒng)結構復雜，在實現(xiàn)上具有一定的難度。而數(shù)字電路測試系統(tǒng)有著出色的測試能力，如足夠的向量深度、靈活的數(shù)據(jù)格式、常規(guī)的交直流參數(shù)測試能力等。添加必要的程控模擬源以及模擬信號測試設備，運用系統(tǒng)集成的方法，用高信噪比的數(shù)字電路測試系統(tǒng)以及帶有GPIB或VXI接口的設備構造A/D、D/A等轉換芯片的測試環(huán)境，完全可以擴展到混合信號電路的測試領域，可以在一定程度上解決混合信號測試的問題。

由NI公司出品的Labview語言，是一種圖形化編程語言，也是最通用的工程測試語言。Labview本身附帶的軟件包提供了大量帶有GPIB接口的可程控測試設備的驅動程序，在測試程序中添加這些現(xiàn)成的驅動程序模塊，很容易實現(xiàn)對外部設備的操作，使軟件編寫變得非常簡單;Labview庫函數(shù)中的DSP函數(shù)，可以方便地進行數(shù)據(jù)處理，作頻譜分析。

選用Labview構成測試的軟件環(huán)境，運用系統(tǒng)集成的方法實現(xiàn)數(shù)字電路測試系統(tǒng)向混合信號測試的擴展，可以依據(jù)不同的測試品種和測試要求，對系統(tǒng)靈活地加以配置，不管是軟件編寫還是硬件集成都非常方便、靈活、快捷。在構筑測試系統(tǒng)時，要充分考慮到以下三方面問題：系統(tǒng)中各部分的同步協(xié)調工作、降低系統(tǒng)噪聲、阻抗匹配。

1 A/D轉換芯片的測試環(huán)境構成

1.1 硬件構成

測試系統(tǒng)的硬件框圖如圖1。該系統(tǒng)的工作原理是：在SUN工作站運行的測試程序通過GPIB接口程控任意波形發(fā)生器產(chǎn)生所需要的測試波形；由數(shù)字電路測試系統(tǒng)產(chǎn)生測試A/D轉換芯片所必需的數(shù)字激勵并獲取數(shù)字響應信號。在測試過程中，每次啟動A/D轉換的同時提供任意波形發(fā)生器的時鐘脈沖信號，保證測試的同步進行，同時讀入A/D轉換器的數(shù)字輸出信號;測試完畢后從數(shù)字電路測試系統(tǒng)的內(nèi)存中讀出轉換數(shù)據(jù)，并進行處理。

高分辨率A/D的測試對測試系統(tǒng)本身的噪聲性能有較高的要求。測試系統(tǒng)必須具有分辨小信號的能力，如果系統(tǒng)噪聲太大，濾波不干凈，就會扭曲測試結果，甚至無法進行測試。我們使用的數(shù)字測試系統(tǒng)為IMS公司的ATS60E測試系統(tǒng)，信噪比可達到90～124dB，可以測試16 Bit音頻A/D，完全可以滿足測試的要求。而且系統(tǒng)除了圖表化的編程界面外，還提供Labview以及C語言的編程環(huán)境，很容易對測試過程進行控制。

任意波形發(fā)生器內(nèi)部的存儲空間存儲數(shù)字化的波形，輸出時通過D/A將數(shù)字信號轉化為模擬信號。一般來說，輸出頻率和分辨率兩個指標不可兼得。可以根據(jù)測試的A/D品種選擇高速、低分辨率或低速、高分辨率的設備。對普通的音頻A/D來說，Pragmatic 2711（16位，2MHz）是較好的選擇。任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的A/D常用測試波形一般有斜波（或三角波）和正弦波兩種：斜波主要用來測量靜態(tài)參數(shù)，正弦波用來測動態(tài)參數(shù)。在任意波形發(fā)生器后接高階有源濾波器，以平滑由于波形發(fā)生器內(nèi)部D/A存在量化誤差所產(chǎn)生的測試波形上的鋸齒，減少測試信號的失真。對高頻電路測試，一般的測試系統(tǒng)阻抗都為50Ω，要充分考慮到阻抗匹配的問題，以保證信號的最大通過和最小反射。

1.2 軟件構成

測試軟件分兩部分：IMS-ATS60E數(shù)字電路測試系統(tǒng)的IMS測試程序及Labview測試程序（見圖2）。

數(shù)字電路測試系統(tǒng)的IMS測試程序完成如下功能：重復進行若干次測試，每次測試都產(chǎn)生A/D的轉換控制信號，同時提供一個數(shù)字信號作為系統(tǒng)同步時鐘，并捕獲轉換結果;對電路的數(shù)字部分進行常規(guī)的交、直流參數(shù)測試。

Labview測試程序完成的功能有：初始化波形發(fā)生器，包括寫入測試波形，設置時鐘同步方式、波形幅度、偏壓等，產(chǎn)生的波形幅度為待測A/D滿幅輸入時模擬信號的幅度;控制數(shù)字電路測試系統(tǒng)，調用測試程序并進行測試，最后從數(shù)字測試系統(tǒng)的內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)并進行處理。

2 A/D轉換芯片的幾種測試方法

測試A/D芯片的幾種常用方法有柱形圖（Histogram）分析法、離散參數(shù)傅立葉（FFT）變換法、拍頻（Beat frequency）測試法等。還有一種正弦波曲線擬合法（Curve fitting），它是在輸入波形為正弦波時，算出輸出碼集與最佳擬合正弦曲線的均方差，與理想擬合誤差相比較即可得出結果，這種方法本文不予詳細說明。

不同測試方法的故障覆蓋是不一樣的。通常，F(xiàn)FT測試法與柱形圖法或拍頻測試法結合使用，以測試出A/D不同的失效狀況。下面是三種測試法的基本原理。

2.1 柱形圖分析法

在測試A/D的靜態(tài)參數(shù)時，最常用的測試方法為柱形圖法。用斜波作為測試波形，程控任意波形發(fā)生器，產(chǎn)生的斜波幅度為A/D滿幅輸入模擬信號，經(jīng)過高階Butter worth低通濾波器濾波后作為測試波形。對于n位的理想A/D，一套完全轉換碼應為2n個，而且每個碼值輸出的概率應該是相等的。在理想情況下，如果初始化斜波每周期的點數(shù)為m?2n（m為正整數(shù)），那么每次任意波形發(fā)生器輸出一個完整的斜波，A/D轉換器必然輸出2n個碼，且每個碼的個數(shù)為m個。但實際上并非如此，由于A/D每個碼對應的碼寬不同，因此測試過程中獲得的轉換碼的個數(shù)也必然會不同。例如，如果A/D有失碼，則必然會有的碼出現(xiàn)的次數(shù)為0;如果有的碼寬超過理想值，則該碼出現(xiàn)的次數(shù)會超過期望值（見圖3）。通過多次測試，對于轉換結果可以統(tǒng)計出每個碼出現(xiàn)的次數(shù)，保存在數(shù)組N（i）中（第i個碼出現(xiàn)次數(shù)為N（i）），并作出每個碼對應于該碼出現(xiàn)次數(shù)的柱形圖。而每個碼出現(xiàn)次數(shù)與總碼個數(shù)之比必然等于該碼的碼寬與輸入模擬幅值之比，因此利用柱形圖可以近似算出該碼對應的碼寬，進而計算DNL、INL等靜態(tài)參數(shù)。但是，為了得到每個碼寬的精確的統(tǒng)計值，就意味著要獲得大量的采樣數(shù)據(jù)，對于12位的A/D，即使要獲得每個碼平均200個值的采樣點數(shù)，那么采樣的總點數(shù)也將達到800000個，這就對數(shù)字測試系統(tǒng)的向量深度提出了要求。

在進行實際測試時，要考慮到偏置誤差和增益誤差的影響，設定的A/D輸入模擬幅值一般應略大于標稱幅值，這樣轉換結果中端點的碼個數(shù)可能會多于其它點的個數(shù)。現(xiàn)假設A/D實際設置幅度比理想幅度大s LSB（s的取值一般為5～10），平均碼個數(shù)為m，則除去第一點和最后一點的影響，碼值實際的平均個數(shù)k為：

這也就是1個LSB碼寬所對應的碼的個數(shù)。

所謂的偏置誤差定義為偏置點的理想值與實際值的偏差。A/D的偏置點可以用如下方法求得：當數(shù)字輸出由0向1轉變時，模擬輸入值減去1/2 LSB的值。增益誤差是指在偏置誤差得到修正后，增益點的理想值與實際值的偏差。A/D的增益點是指當數(shù)字輸出轉換到最大值時，模擬輸入值加上1/2LSB的值。這兩種誤差都可以通過修正，調整到0。由定義可以推出偏置誤差和增益誤差按碼出現(xiàn)次數(shù)的計算公式如下：

DNL定義為實際轉換碼寬與理想碼寬（1 LSB）的差。INL定義為實際轉換點與理想轉換點之差，通常要取每個轉換碼寬的中點與理想轉換曲線之差。所謂的理想轉換曲線有兩種定義，可以是輸出轉換點的最佳擬合直線，也可以是修正偏置誤差和增益誤差后的直線，第二種定義由于在計算上很方便所以實際上更常用。按碼的出現(xiàn)次數(shù)計算，第i個碼的DNL和INL值的計算公式為：

柱形圖測試法可以方便地測試出某一測試頻率下DNL、INL、增益和偏置誤差等參數(shù)的具體數(shù)值，檢測出失碼。關于柱形圖的計算，在Labview的功能菜單中，選Analysis下的Probability and Statistics子菜單，則有Histogram、Mean等統(tǒng)計模塊供選用，以便進行計算。

2.2 FFT測試法

離散參數(shù)的快速傅立葉變換（FFT）可以進行A/D的動態(tài)參數(shù)測試。在這種方法下，任意波形發(fā)生器產(chǎn)生純正弦波，后接高階Chebyshev濾波器，濾掉信號的噪聲和失真，產(chǎn)生測試用的純正弦波。有些參數(shù)（如IMD）的測試，甚至要求測試波形是兩種頻率相接近的正弦波的疊加，頻率不是單一的。

這種測試方法是利用FFT算法對A/D轉換芯片的輸出碼進行數(shù)字信號處理，計算A/D的頻譜參數(shù)，以此看出各種轉換誤差以及失真在頻譜圖上表現(xiàn)出的噪聲背景。在沒有失真的理想情況下，在輸入模擬量為正弦波時，輸出頻譜應為頻率等于輸入頻率的沖激函數(shù)的圖形。事實上，A/D轉換器的量化誤差，轉換器內(nèi)部各種噪聲，甚至包括測試系統(tǒng)噪聲，都會在頻譜圖上的噪聲背景中體現(xiàn)出來;DNL、失碼、孔徑誤差、寬帶噪聲都會造成頻譜圖上噪聲背景的提升，而INL則會在測試信號的基波偏移帶內(nèi)表現(xiàn)出諧波失真（如圖4）;轉換器內(nèi)部非線性部件的存在，使輸出信號相對于輸入信號在頻率上不但會有一個微小的偏移，而且會產(chǎn)生一系列的諧波分量（圖5）。

在計算過程中，如果采樣數(shù)據(jù)集的端點不連續(xù)，會因引入采樣窗口而增加計算的繁瑣程度。而按照相關采樣原理，F(xiàn)FT就可以把輸出信號看成無窮的周期信號，使計算變得簡單。滿足相關采樣原理的采樣方法必須滿足如下公式。

式中，M為采樣周期數(shù)，必須為奇數(shù)。

N為總采樣點數(shù)，對于FFT算法其值必須為2的冪。

fT為輸入模擬正弦波的頻率。

fs為采樣頻率。

為了得到最佳測試結果，測試過程中所選的M與N的值必須要加以限制。為了保證采樣數(shù)據(jù)集端點相匹配，M必須選正整數(shù);FFT算法本身要求采樣點數(shù)值為2的冪;為獲得最佳測試效率和減少測試時間，M和N要求不可約分。而且為了保證FFT變換一定的故障覆蓋率，N取值不能太小。

由Nyquist采樣定理，采樣頻率至少是測試信號頻率的2倍，才能保證采樣不失真。但我們在這種測試中采樣頻率遠大于輸入信號頻率，所以可以不考慮Nyquist頻率的影響。

衡量A/D動態(tài)性能的指標有：信號噪聲比（SNR）、信號噪聲失真比（SINAD）、諧波總失真（THD）、寄生動態(tài)范圍（SFDR）、交調失真（IMD）等。在計算出A/D轉換的頻譜后，這些參數(shù)按定義都很容易計算。計算中的諧波分量一般要求算到六階。

例如對于A/D轉換存在的量化誤差，可以用信號噪聲比（SNR）這個參數(shù)計算A/D由量化誤差引入的噪聲背景。

而SNR理論上的計算公式為：SNR=6.02n+1.76（dB），因為噪聲分量中除了量化噪聲，還有其它噪聲，實際測量結果會比這個值稍低一點。

關于FFT變換的計算，在Labview的功能菜單中，選Analysis下的Digital Signal Processing子菜單，可有Real FFT、Auto Power spectrum等模塊供選用，以進行變換和參數(shù)計算。程序編寫可以參照Labview 安裝目錄下Examplesanalysismeasuremeasxmpl.llb中的THD.vi程序。

2.3 拍頻測試法

“拍頻”這個名稱說明了這種測試方法的原理，輸入正弦波的頻率與A/D的采樣頻率之間有一個微小的差值，因為形成了一個拍頻，對測試波形不斷的采樣和轉換結果也是一個正弦波（見圖6）。這種測試方法本來是將轉換的數(shù)字信號經(jīng)過一個D/A轉換后在CRT上顯示出來，觀察正弦波的平滑性。這樣即使是低速的D/A也可以應用于測試。現(xiàn)在我們利用Labview，在測試中將ATS60E測試系統(tǒng)的測試頻率設定為fs，波形發(fā)生器的輸出正弦波的頻率設定為fs+Δf。將采樣結果在Labview的圖表上輸出，那么輸出點連起來必然為一個正弦波。而轉換誤差會表現(xiàn)為波形的失真和不連續(xù)。對頻差的設置最理想的情況是（這種連續(xù)的采樣）使每個碼都有一次采樣到的機會，保證圖表輸出覆蓋所有可能的碼的故障。例如，10bit A/D，20MHz的采樣率，最大3MHz的差頻就可以保證每個碼至少一次采樣。

拍頻測試法可以測試三種誤差：DNL、INL和失碼，但是無法得出具體數(shù)值。最主要的是可以用來測量模擬帶寬。

本文主要探討的是用系統(tǒng)集成的方法進行A/D轉換芯片的測試，但是也可以擴展到其它混合信號電路的測試中。比如D/A的測試思路，由數(shù)字測試系統(tǒng)產(chǎn)生D/A的控制信號以及轉換的數(shù)字輸入信號，產(chǎn)生的輸出模擬轉換結果可以用測試系統(tǒng)本身的精密測量單元來測試，也可以由外接程控的高精度萬用表來測量。

測試的基本原理和方法和20年前其實沒有太大區(qū)別，不過是由于軟硬件水平的發(fā)展，使測試環(huán)境更容易構成。尤其是在具有一定規(guī)模的實驗室，各種測試設備相對比較齊全的情況下，這種擴展方法特別體現(xiàn)了它經(jīng)濟、靈活的優(yōu)點，很多情況下可以省去配置專門的混合信號測試系統(tǒng)。

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