用於高精度adc測試中低解析度信號源的選取方法
2023-04-24 19:14:01
用於高精度adc測試中低解析度信號源的選取方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法，其通過對於同一解析度的信號源，分析增加或減少採樣點數對測試結果精確度的影響，並在此基礎上建立採樣點數同測試結果之間的關係模型，以及信號源的解析度同測試結果精確度之間的關係。基於得到的關係模型，可以確定在給定測試對象和測試目的，進而實現在對高精度ADC進行快速測試、精確測試以及快速精確的低成本測試等目的時最佳信號源的選擇，在保證測試結果的同時降低測試成本。
【專利說明】用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法。
【背景技術】
[0002]隨著SoC技術的不斷發展，ADC應用已經深入到各個領域，例如醫療設備，衛星通信，無線通信，控制系統，以及音視頻等。當前已有的測試軟體和晶片測試工藝使得ADC的應用正朝著高速和高精度兩大方向發展。但缺乏測試高解析度ADC性能參數的精確測試方法，以及無法提供超高解析度的信號源給ADC應用帶來了極大的挑戰。在此背景下，如何實現對高速高精度ADC的快速、精確測試以確保其可靠應用變得十分重要。
[0003]在混合信號測試領域，ADC晶片的主要測試內容應包括如圖1所示的:晶圓探針測試、信號連續性及洩漏測試、電氣特徵測試、ADC靜態參數測試以及ADC動態參數測試。其中靜態參數包括增益誤差(Gain error),偏移誤差(offset error)、差分非線性(DNL)以及積分非線性(INL)。動態參數則主要包括信噪比(SNR)、信納比(SINAD)、有效位數(ΕΝ0Β)、無雜散動態範圍(SFDR)以及總諧波失真(THD)等。已有的ADC測試標準方法，如直方圖方法、伺服方法以及二元搜索方法均給出了測試ADC的具體步驟。它們首先選取特定精度的信號源生成低頻、高精度的正弦信號或者高線性度的三角波或斜坡信號作為待測ADC的輸入激勵，然後通過控制信號以及時鐘同步原理控制待測ADC工作。利用FPGA或者其他存儲模塊對輸出數據進行同步採集，基於直方圖原理對輸出碼進行統計並計算各輸出碼的碼寬進而確定待測對象的轉移特性曲線和相應的非線性誤差。
[0004]傳統靜態參數測試方法主要是基於直方圖原理，即利用信號源生成低頻斜波或者正弦信號，並作為待測ADC的輸入，採集待測ADC的輸出碼，且確保每個碼採樣30次左右，然後對輸出碼建立直方圖，分析每個碼值所對應的碼寬同理想碼寬之間的誤差。主要測試流程圖如圖2所示。相比之下，採用直方圖方法測試高精度ADC時需要注意兩個關鍵問題。首先，選擇的信號源的線性度應高於待測ADC的線性度3比特以上。其次，為了降低高斯白噪聲等因素對測試結果的影響以獲得有效直方圖統計，必須對相同的輸出碼進行重複統計。一般情況下，每個轉換碼需要平均採集30個採樣點。當測試高精度ADC，如24比特，採樣率為IOOksps的ADC時，所需的信號源精度應為27比特以上，此時基於直方圖方法採集用於分析的採樣點數應為5.03億個左右。如此高的信號源精度將導致測試設備成本變得極其昂貴。此外採集如此多的數據所需時間將為1.4小時左右，這樣高的測試成本將使得攜帶ADC的電子產品應用變得無法接受。
[0005]在此情況下，出現了基於低精度信號源測試高精度ADC的測試算法，通過對信號源的輸出或者待測ADC的輸出碼做特殊處理以實現對高精度ADC的可靠性測試。主要的高精度測試算法有信號源誤差識別與校準(SEIR)、動態元件匹配(DEM)以及分段縮放和擬合等基於低精度信號源測試高精度ADC的算法。其中SEIR及其改進方法主要是利用兩組低精度激勵擬合併計算信號源非線性表達式和傳輸函數，然後計算相關特性參數。該方法降低了所需信號源的精度，但它主要關注的是在保證結果精度的前提下儘可能降低所需DAC解析度，並沒考慮大量增加採樣點數導致的過長採樣時間。此外，該方法僅適用於測試精度為16bit左右的ADC，因而無法滿足高精度ADC測試的要求。而DEM及其改進方法是在較大失配情況下，匹配關鍵電路以提供較好的平均線性性能的算法。它可以有效降低失配噪聲，並消除DAC由於靜態失配所帶來的諧波失真。但是它並不能降低個別採樣輸出電壓的誤差。另外，在短的時間窗口內，其平均誤差也不會降低，反而增加了測試所需的時間。同樣，分段縮放和擬合方法主要是通過DUT的將滿量程輸入等分為多段，縮放後作為輸入並基於最小平方估計等方法測試待測ADC的相關參數。該方法明顯降低了測試所需信號源的精度，但是卻沒有給出如何選擇特定解析度的DAC作為信號源的問題。以上方法雖然考慮了測試高精度ADC時如何降低所需信號源精度，但是都沒有考慮時間成本甚至是犧牲時間成本來實現的。
[0006]此外，還出現了如基於動態參數和靜態參數之間的相互估計，譜相關激勵生成等快速測試方法。基於動態參數和靜態參數之間的相互估計主要是基於測試得到靜態參數(或動態參數)，直接估算DUT的動態參數(或靜態參數)。該方法省略了部分測試步驟所需設備和採樣數據因而大幅降低了測試成本。譜相關激勵生成方法主要是通過分析多路輸入信號之間的頻譜關係，從輸入信號中分離出待測ADC的固有失真成分。該方法可以實現利用低精度信號源測試高精度ADC的目的，且可以應用於非平穩測試環境和噪聲環境。但是該方法需要分析特定濾波器的特性，且存在濾波誤差。此外，以上方法均需要高精度信號源。
【發明內容】
[0007]本文分析了影響高精度ADC測試成本的主要因素，包括時間成本和設備成本,並在此基礎上提出了一種高精度ADC的低成本測試方法，該方法主要包含基於低精度信號源測試高精度ADC的算法實現，以及當給定測試對象時最佳低精度信號源的確定和選取方法兩部分。相比於傳統直方圖和SEIR等高精度ADC測試方法，該方法可以實現在測試速度和信號源解析度之間的折中，進而大幅降低測試成本且更具有實用性。
[0008]本發明目的在於提供一種用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法 為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是:
一種用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法，其特徵在於，具體的選取過程如下:
對於給定解析度的待測ADC，任選一種適合於該ADC解析度範圍以及結構特性的高精度ADC測試算法。在確定待測高精度ADC的測試方法後，利用測試方法對待測對象進行測試，再分析影響測試結果的主要因素。在不改變其他條件的情況下，提高待測ADC的採樣速率，增加或者減少用於測試分析的採樣點數，重複測試，分析當保證測試結果誤差在給定範圍內時採樣點數與積分非線性誤差之間的關係；
然後，在不改變其他條件的前提下，逐比特降低信號源的解析度，利用前面的測試方法重複測試直到測試結果誤差出現突然大幅增加的現象為止；
基於不同解析度信號源對測試結果的影響，建立信號源解析度同積分非線性誤差之間的關係模型，建立在不同解析度的信號源情況下所需採樣點數同積分非線性誤差之間的關係豐吳型；
在確定採樣點數，信號源解析度分別同測試結果之間的關係模型後，設定測試結果容許的最大誤差範圍。參考該範圍和關係模型確定可選信號源的解析度範圍。在可選解析度範圍內，確定不同解析度DAC作為信號源時所需的最少採樣點數。
[0009]最後，基於給定的兩個關係模型圖，和信號源解析度同採樣點數之間的關係，考慮DAC的價格因素和採樣點數所帶來的時間因素，確定當給定測試對象和測試目的時，所需的最佳解析度信號源。
[0010]改變測試算法，重複前面的建模過程，即可在不同測試算法前提下，得到相應的所需信號源解析度、採樣點數和測試結果之間的關係表。測試工程師可參考該關係表，在欲實現的結果精度、所需測試時間和允許的硬體設備成本即信號源解析度進行權衡，選擇最佳解析度DAC作為信號源。
[0011]當給定已知解析度和測試目的的待測ADC時，選擇一種基於低解析度信號源該測試高精度ADC的測試方法。例如為了得到儘可能精確的測試結果，可選擇基於直方圖原理的信號源誤差識別和移除(SEIR)方法及其相關改進測試方法，或者選擇動態元件匹配及其相關改進測試方法。以上方法可以通過對ADC的相同輸出碼進行重複採樣來消除或降低量化噪聲，隨機抖動和由閃爍等引起的高斯白噪聲對測試結果誤差的影響。但由於需要採集大量採樣點數，該類方法需要以犧牲時間成本為代價。此外，由於高解析度ADC的輸出碼過多，該類方法還具有只能測試特定解析度範圍內的ADC的特點。為了實現對待測ADC的快速測試，可以直接選擇基於FFT的頻譜特性估計靜態參數測試及其改進方法，或者選擇基於待測ADC的靜態和動態參數關係模型進行相互估計的測試方法。以上方法可以通過減少傳統測試方法中所需的的測試步驟或者直接避免測試靜態參數所需的大量的採樣數據，因而大量節省測試時間。但由於傳統方法測試靜態參數和動態參數時使用條件的不同(測靜態參數時，信號源生成直流或者低頻正弦信號，測試動態參數時，信號源生成高頻信號)，故而該方法所得的測試結果不可靠性。為了實現快速低成本測試，可以選擇分段測試或者進行加窗處理等測試方法。本發明結合了前面二者的特點，可以在確保較高測試結果精度時的前提下，實現快速低成本測試。
[0012]對於上述技術方案，發明人還有進一步的優化實施方案。
[0013]作為優化，待測高精度ADC的測試方法為分段測試或者進行加窗處理。
[0014]I)作為優化，對於給定的待測對象，明確其測試目的和應用場景:在通信應用中，關注的重點是待測ADC的動態參數；音視頻以及醫療衛生等應用中，關注的重點則是靜態特性參數。當需要測試非重點關注的特性參數時，我們需要考慮的是儘可能降低測試所需成本,主要包括時間成本和設備成本:影響時間成本的主要因素包括採樣點數、數據處理時間、所選算法的複雜度以及基於相應算法開發程序的周期等；影響設備成本的主要因素則包括選用的信號源的線性度、數據採集和存儲所需的硬體設備等。當測試重點關注的參數時，則可能需要犧牲部分測試成本來確保相關參數的可靠性測試。
[0015]相對於現有技術中的方案，本發明的優點是:
本發明所描述的用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法，其通過對於同一解析度的信號源，分析增加或減少採樣點數對測試結果精確度的影響，並在此基礎上建立採樣點數同測試結果之間的關係模型，以及信號源的解析度同測試結果精確度之間的關係。基於得到的關係模型，可以確定在給定測試對象和測試目的，進而實現在對高精度ADC進行快速測試、精確測試以及快速精確的低成本測試等目的時最佳信號源的選擇，在保證測試結果的同時降低測試成本。該方法適用於任何基於低解析度信號源測試高解析度ADC的測試方法，因而對於整個高解析度ADC測試領域具有普遍的參考意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
圖1為傳統ADC晶片測試的通用步驟；
圖2是基於傳統直方圖測試方法測試ADC的流程圖；
圖3是基於分段縮放測試方法測試高精度ADC所生成的激勵信號；
圖4是選擇不同段數時，對應的非線性誤差；
圖5是基於分段縮放技術所得到的擬合INL同理想值之間的關係；
圖6是分段縮放測試時相鄰窗函數內INL的連續圖；
圖7是給定待測ADC時最佳信號源的選擇流程圖；
圖8是當基於所提方法測試24比特ADC時INL誤差同所選信號源解析度的關係圖；圖9是當測試24比特ADC時，採樣點數同信號源解析度、窗函數個數以及基底函數階數之間的關係表。
【具體實施方式】
[0017]以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。實施例中採用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未註明的實施條件通常為常規實驗中的條件。
[0018]實施例:
本實施例描述一種用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法，具體選取過程包括如下步驟:
I)確定待測高精度ADC的解析度範圍假設為16到24比特，以及其結構類型。其中結構類型主要包括如sigma-delta,逐次逼近型，pipeline型以及Flash型等。
[0019]2)對於給定的待測對象，明確其測試目的和應用場景。例如在通信應用中，我們關注的重點是待測ADC的動態參數。而音視頻以及醫療衛生等應用中，關注的重點則是靜態特性參數。因此，當需要測試非重點關注的特性參數時，我們需要考慮的是如何儘可能降低測試所需成本,主要包括時間成本和設備成本,影響時間成本的主要因素包括,採樣點數，數據處理時間，所選算法的複雜度以及基於相應算法開發程序的周期等。影響設備成本的主要因素則包括選用的信號源的線性度，數據採集和存儲所需的硬體設備等。當測試重點關注的參數時，則可能需要犧牲部分測試成本來確保相關參數的可靠性測試。
[0020]3)基於待測ADC的解析度和欲實現的測試目的，選擇一種合適的基於低解析度信號源測試高精度ADC的測試算法。例如欲實現精確測試，可以選擇SEIR方法，但是當待測ADC解析度過高時，可以選擇改進的DEM測試方法。若希望實現快速測試，可以選擇基於FFT頻譜估計測試方法。若希望實現快速精確測試，可以選擇分段縮放測試方法。
[0021]4)選擇兩個同最高精度的待測ADC具有相同解析度的DAC作為信號源，其中一個DAC用於生成輸出範圍同待測對象的滿量程輸入相同的正弦信號，另外一路DAC用於生成具有固定偏移量的直流電壓。疊加正弦信號和直流分量並作為待測ADC的輸入，如圖3所/Jn ο
[0022]5)設定輸入信號頻率和採樣率之間的關係，確保單個周期內每個相同輸出碼值被平均採集5次左右。
[0023]6)選擇T組合適的窗函數，將待測ADC的滿量程輸入範圍等分為T段，確保每段內的採樣點數足夠多，且可以基於最小平方估計等擬合方法求解該段內的傳輸函數。此外，還應保證相鄰兩個窗函數應至少包含一個相同的數字碼，以便於傳輸函數連續。
[0024]7)將各段內採樣數據所對應的模擬輸入進行等比例縮放，使得輸入時間歸一化為O到I。
[0025]8)基於另外一路DAC生成相比於第一路信號具有固定偏移量的直流分量，疊加正弦信號並作為待測ADC的第二路輸入信號。重複前面步驟(2)到(5)。根據圖4所示，相比於直接輸入斜波信號，分段縮放輸入方法可以明顯提高輸入信號的線性度，因而可以進一步降低所需信號源的線性度。
[0026]9)基於每個窗函數內所包含的採樣數據，選擇一組基底函數用於表示輸入函數的非線性誤差，使得輸入激勵信號由理想正弦，求解的非線性誤差表達部分和利用基底函數擬合後的剩餘誤差部分組成。
[0027]10)對於每段內的各採樣數據，由於採樣速率恆定，因而可以確定其所對應的模擬輸入的相對時間。相應的，各相鄰數字碼值之間所對應的轉換時間和轉換電平也可以確定。
[0028]11)在各段內利用相對時間和基底函數表達式表示量化的最低有效位和段內個碼之所對應的積分非線性。相應的積分非線性在圖5中描述所示。
[0029]12)聯立兩組不同輸入所對應的相同段內的相同碼值的積分非線性表達式，基於各已知的轉換時間和模擬轉換電平，利用最小平方估計方法求解未知的基底函數係數和固
定偏移量。
[0030]13)在已知各段內擬合激勵函數表達式和積分非線性表達式後，分析相鄰兩個窗函數內，相同碼值所對應的積分非線性偏差，將其中一段內的所有碼值的積分非線性減去相同的偏差值，使得整個待測ADC的滿量程輸入範圍內的積分非線性函數連續，具體實現方法如圖6所示。
[0031]相比於傳統方法的直接利用單個表達式擬合傳輸函數的滿量程輸入範圍，本專利利用窗函數將待測ADC的滿量程輸入範圍等分為多段，然後利用多項式函數分段擬合併求解各段內的傳輸函數。另外，直接擬合方法需要對所有待測對象的輸出碼值或者部分經過精心計算的特定碼值進行最小平方估計擬合。但是本方法只需利用段內的幾個特定數據做最小平方估計。當測試對象為高精度ADC時，基於傳統方法需要多次重複採集相同的輸出數據，但是本專利避免了這一問題。因而大大降低了所需要分析的數據量，或者極大程度上降低了特定數據選擇的複雜度。此外，利用單一表達式擬合整個待測ADC的傳輸函數將使得表達式過於複雜，而且用於表示激勵非函數非線性部分所需的基底函數階數會會因過多而導致過擬合或者欠擬合問題。相比之下本專利所提方法由於只需擬合很少的數據，因而所需基底函數階數將大大減小。擬合精度也將明顯提高。
[0032]14)基於前面方法和條件進行測試，分析積分非線性誤差精度同所使用的信號源解析度之間的關係。
[0033]15)增加或減少採樣點數，分析積分非線性誤差精度同所需的採樣點數之間的關係並確保積分非線性誤差在給定範圍。
[0034]16)逐比特降低所選DAC的解析度作為信號源，在不改變其他條件的情況下，重複步驟(2)到(14)，直到當積分非線性誤差出現明顯增加，或者需要明顯增加採樣點數來保證測試結果維持在給定範圍內為止。
[0035]17)建立信號源解析度同測試結果誤差之間的關係模型圖，給出採樣點數和結果誤差之間的關係模型圖。確定在給定測試對象的精度和希望實現的測試目的(包括得到儘可能精確的測試結果，實現大規模待測器件的快速可靠性測試以及低成本測試等)時，選擇最佳低解析度DAC作為信號源的方法。總的實現流程圖如圖7所示
相比於傳統的基於低解析度信號源測試高精度ADC的測試方法，本發明主要關注的是高精度ADC測試算法的實現，以及對測試結果精度的影響。但是並沒有介紹當給定待測ADC的解析度時，如何選擇合適解析度的低精度DAC作為信號源。這就導致當選擇的信號源解析度過低時，需要大量增加分析所使用的採樣點數來彌補相關誤差，但是如果選擇的信號源解析度過高，此時由於高解析度DAC的價格較高，會導致測試設備的硬體成本過高而無法實現低成本測試。本發明提供的信號源選擇方法一方面可以儘可能降低所需信號源解析度，因而降低設備成本。另一方面，由信號源精度降低所導致的結果誤差可以通過增加採樣點數來彌補，且所增加的採樣點數保持在合理水平，不會導致測試的時間成本過大。因而實現了採樣點數與信號源解析度的動態平衡。圖8給出了當測試24比特ADC時基於前面所提的方法所建立的INL同信號源解析度之間的關係模型。圖9給出了測試結果中INL誤差同採樣點數，基函數的階數之間的關係表。根據圖8和圖9可知，當欲實現對ADC的快速精確測試時，14比特DAC為最佳選擇。當欲實現對待測ADC的快速測試時，12比特DAC為最佳選擇。
[0036]上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法，其特徵在於，具體的選取過程如下: 在確定待測高精度ADC的測試方法後，利用測試方法進行測試，再分析影響測試結果的主要因素，在不改變其他條件的情況下，提高待測ADC的採樣速率，增加或者減少用於測試分析的採樣點數，重複測試，分析當保證測試結果誤差在給定範圍內時採樣點數與積分非線性誤差之間的關係； 然後，逐比特降低信號源的解析度，重複前面的測試方法直到測試結果出現突然增加的現象為止； 基於不同解析度信號源對測試結果的影響，建立信號源解析度同積分非線性誤差之間的關係模型，建立在不同解析度的信號源情況下所需採樣點數同積分非線性誤差之間的關係豐吳型； 最後，基於給定的關係模型圖，確定給定測試對象和測試目的時所需的最佳解析度信號源。
2.根據權利要求1所述的用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法，其特徵在於，對於給定的待測對象，明確其測試目的和應用場景:在通信應用中，關注的重點是待測ADC的動態參數；音視頻以及醫療衛生等應用中，關注的重點則是靜態特性參數，當需要測試非重點關注的特性參數時，我們需要考慮的是儘可能降低測試所需成本，主要包括時間成本和設備成本:影響時間成本的主要因素包括採樣點數、數據處理時間、所選算法的複雜度以及基於相應算法開發程序的周期等；影響設備成本的主要因素則包括選用的信號源的線性度、數據採集和存儲所需的硬體設備等，當測試重點關注的參數時，則可能需要犧牲部分測試成本來確保相關參數的可靠性測試。
3.根據權利要求1所述的用於高精度ADC測試中低解析度信號源的選取方法，其特徵在於，對於任意一種高精度ADC測試算法，可以基於該算法建立DAC解析度與測試結果誤差的關係圖，且該關係圖能夠作為在利用本測試算法測試任意解析度的高精度ADC時選擇合適解析度的DAC作為信號源的一種參考。
【文檔編號】G01R31/3167GK103529379SQ201310278150
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月4日 優先權日:2013年7月4日
【發明者】黃成 , 李佑輝 申請人:東南大學