本文介紹模數轉換器（ADC）的自動數據收集系統。它討論了自動化數據收集的優勢以及硬件和軟件的詳細說明。它繼續解釋系統的操作并給出一些數據示例。

介紹

為了更高效、更可重復地表征數據轉換器，可以自動進行實驗室測試設置。有三個主要優點：

由于軟件配置了測試設備，因此每次檢定零件時都使用相同的儀器設置。

當軟件捕獲數據時，它會將其存儲在文件中，自動消除由于數據輸入不正確而導致的錯誤。手動獲取數據時，必須手動寫入所有數據，然后手動輸入到文件或電子表格中。這些步驟很繁瑣，并且可能是錯誤的來源。

由于PC正在驅動測量和數據收集過程，因此收集數據的速度比手動完成的速度要快得多。幾分鐘內即可采集數千個數據點。手動收集相同數量的數據可能需要幾天時間。一旦數據在指定的文件中，就可以將其保存為文本文件，以便可以使用Gnuplot或Excel等軟件程序輕松評估或繪制。

由于大多數實驗室儀器都具有通用接口總線（GPIB）接口，因此幾乎任何手動實驗室測量都可以自動化。

GPIB的背景

GPIB 最初由惠普公司開發為 HP-IB，是一種高速通信接口，可實現可編程儀器的互連和控制。控制器卡通常駐留在PC中，用于控制各種測試儀器，如邏輯分析儀、信號和數據發生器、數字電壓表和電源。GPIB由IEEE標準化，現在以GPIB，HP-IB和IEEE-488總線三個名稱而聞名。

自動設置的優勢

使用自動測試設置的一個優點是，它加快了表征零件的任務。理想情況下，軟件應該提前編寫和調試，這樣當零件可用時，就不會花費寶貴的時間編寫和調試軟件代碼。對于我們的測試設置，Visual C++被選為編程語言。

通過 功能 自動 化 測試 設置， 一些 更 困難 的 數據 轉換 器 繪圖， 如 積分 非線性 （ INL）、 微分 非線性 （DNL） 和 快速 傅里葉 變換 （FFT） 圖 可以在 幾分鐘 內 提供。

模塊化軟件允許重復使用其他程序。通過靈活的代碼，該軟件可以輕松修改為具有不同速度和分辨率的其他轉換器。

自動設置的另一個關鍵優勢是，設計工程師不需要熟悉設備和儀器，因為軟件會自動對所有儀器設置進行編程。盡管對設備的基本知識對于確保準確的結果仍然至關重要。在測試運行時，工程師通常不必親自到場。通常，監督測試和獲取數據的任務被委托給實驗室技術人員，從而進一步解放工程師。

設置要求

GPIB 接口卡

GPIB 接口卡插入其中一個 PC 擴展槽，允許 PC 與具有 GPIB 接口的任何測試儀器進行通信。每臺儀器都需要一根 GPIB 電纜。儀器使用串行菊花鏈互連，從PC開始，到最后一個儀器結束。每臺儀器都需要一個唯一的 GPIB 地址。可用地址為 0 到 31。GPIB 總線上可以包含的儀器數量取決于電纜的長度及其連接方式。在實際應用中，可同時連接多達 10 臺儀器。

模式生成器

模式生成器創建用于與被測設備 （DUT） 通信的所有 I/O 數據模式。由于在本例中，ADC具有串行輸出，因此模式發生器也用于提供控制解串器板時序的信號。解串器板允許更有效地使用邏輯分析儀存儲器。串行外設接口（SPI）信號（時鐘、數據和片選）來自碼型發生器。對于雙線I2C接口，生成時鐘和數據信號。由于I2C數據線是雙向的，因此需要具有集電極開路緩沖器的電路。

數據模式通過 GPIB 接口加載。GPIB 接口還控制碼型生成器的設置。

邏輯分析儀

對于ADC，邏輯分析儀用于捕獲轉換數據并將其存儲在文件中。邏輯分析儀的設置由GPIB控制，但由于GPIB的速度限制，我們的數據文件通過局域網（LAN）傳輸到PC。

信號或脈沖發生器

需要兩個信號/脈沖發生器。一個用于生成轉換時鐘（或采樣頻率）。另一個用于生成ADC輸入信號（或測試頻率）。來自兩個單元的信號應同步。這稱為相干測試。請注意，轉換時鐘發生器驅動碼型發生器。

電源

電源電壓需要為DUT和解串器板供電。如果需要，這些電源可以進行編程，以進一步自動化測試設置。

直流電源

需要一個干凈的直流電源為ADC或DAC提供基準電壓源。我們的設置中使用了Datel校準器。

反序列化板

該電路用于將ADC的串行數據輸出轉換為并行格式，以便邏輯分析儀可以更有效地捕獲數據。雖然數據可以通過代碼反序列化，但并行格式可以更好地利用邏輯分析儀存儲器。

圖 1 說明了儀器如何與 PC 互連以及彼此互連。對于并行接口ADC，不需要解串器板。

圖1.串行或并行輸出ADC設備的互連。

軟件

該軟件是使用Visual C++開發的，與Win95 / 98或Windows NT兼容。這些程序都是使用GUI界面在Windows中編寫的，使其用戶友好。

該軟件的主要功能之一是稱為 INIT 或 SETUP 的初始化功能（參見圖 3）。當操作員單擊此功能時，它會在模式生成器中設置正確的模式，并設置邏輯分析器，以便準備好捕獲數據。操作員無需觸摸儀器，只需確保它們已通電并正確連接。

該軟件允許操作員選擇轉換器采樣率和設備的分辨率。它還允許控制采集的樣本數量。在進行轉換時，數據將寫入文件。

使用兩個程序，一個用于控制和數據采集，另一個用于分析數據。控制和采集程序控制數據生成器并從邏輯分析儀獲取數據。分析軟件計算 INL、DNL 和 FFT。

還可以為其他測試開發軟件，例如零電平誤差、滿量程誤差和增益誤差。然而，這需要一個軟件伺服回路，并且是另一個應用筆記的主題。

分析軟件是一個通用程序，可用于分析任何ADC的數據。以下是該軟件的示例屏幕。

圖2.測試81的屏幕。

圖3.用于控制的屏幕。

操作

要對INL或DNL執行FFT或測試，必須正確選擇測試頻率和采樣頻率，以確保：（1）轉換器中的所有數字代碼都得到執行，以及（2）信噪比和諧波失真測量不會受到測試方法的影響。使用質數方法，獲取質數個測試音周期，這導致數據端點之間沒有中斷。該方法產生頻譜純結果，其中測試音和諧波都包含在一個頻率箱中。也就是說，FFT具有有限帶寬的離散頻率箱。正確選擇采樣和測試音頻率會導致測試音的所有能量出現在單個頻率箱中。轉換時鐘發生器和測試音發生器必須同步以進行相干測試，這一點很重要。

例如，給定采樣頻率f樣本=100ksps，測試音頻率f測試= 1kHz，獲取的點數N = 4096，我們可以確定應該使用什么頻率。每個頻率箱的帶寬由f樣本/N=24.41。將此結果四舍五入為 25Hz。現在重新計算采樣頻率得到 25 × N=102.4ksps。要確定測試音頻率，請從 f 開始測試/25=40。選擇最接近 40 的質數，即 41。這會產生重新計算的測試音頻率 41 × 25=1025Hz。請注意，f測試是一個有理數，可以很容易地加載到大多數信號發生器中。無理數會導致FFT泄漏并導致錯誤的SNR。單面FFT將有2048（N/2）個箱。假設每個箱的寬度為25Hz，FFT應擴展到51.2kHz，正好是f樣本/2.所有測試音能量應在第 41 個箱或 25 × 41=1025Hz 處。

用于測試頻率的函數發生器應具有低失真。如果沒有低失真信號發生器，可以使用濾波器來減少諧波。

使用以下步驟完成數據收集過程：

單擊 INIT 按鈕，以便設置邏輯分析儀和碼型生成器。

輸入將存儲轉化數據的文件名。

如有必要，請選擇要測試的轉換器的分辨率。這通常設置為默認為正確的值。

選擇 FFT 中的點數或轉換數。

單擊“運行”按鈕。此時，程序將設置轉換器，開始轉換并捕獲所需的轉換數據量。然后，數據將保存在所需的文件中。

保存數據后，可以將文件加載到 Test81 或任何其他從原始轉換數據計算所需信息的程序。

FFT結果可以繪制成與測量相關的各種諧波或雜散圖。此外，動態性能數字顯示在控制窗口和繪圖上。其中包括SFDR，SNR，SINAD，THD和ENOB。每個諧波（最多五分之一）與頻率和相對電平一起表示。

INL和DNL可以使用ADC輸入端的線性斜坡信號或使用正弦直方圖方法進行計算。正弦直方圖方法的優點是使用干凈的正弦波，而不必生成高度線性的斜坡。對于具有交流輸入信號的應用，正弦直方圖方法是更好的ADC性能晴雨表，因為它提供交流輸入的測試數據，這與某些僅使用直流輸入信號進行測試的轉換器不同。

要設置正弦直方圖 INL/DNL 檢驗，請運行素數周期計算。這可確保執行所有代碼箱，并且整個直方圖將具有正弦概率分布1。轉換器應略微過驅動。這將溢出直方圖的第一個和最后一個箱，但此數據將被丟棄。自動計算失調和增益，并生成DNL和INL圖。

下面是使用 Gnuplot 繪制的示例圖。

圖4.動態性能 （FFT） 圖。

圖5.直方圖。

圖6.DNL 圖。

圖7.INL圖。

審核編輯：郭婷