马 腾， 袁 著

（电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都 610054）

0 引言

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[2]，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[3]，应用模拟滤波器进行音频DAC测试[4]，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Quartus II 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[7]，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EP3C25Q240 C8芯片，功耗小，系统综合能力强，价格较低，包含了24624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。

[1]BURNS M, ROBERTS G W. An Introduction to Mixed-signal IC Test and measurement[M]. New York: Oxford University Press, 2001:1-389.

[2]IEEE. IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders[s].[s.l.]:IEEE，1994.

[3]陆强，孙晓丽. V777测试系统DA/AD测试技术的研究[J].电子与封装, 2008(08):13-17.

[4]唐智军. 滤波器在音频 DAC测试中的应用[J]. 中国集成电路,2009(121):65-69.

[5]赵步云，管杰，戴昌培.基于 Quartet测试系统的高速 DAC芯片测试[J].电子工业专用设备,2005(127):37-42.

[6]李媛媛，徐岩，王靖岳. 对MATLAB实现数字信号的QPSK的频谱分析[J].通信技术,2008,41(01):41-42

[7]张炜，杨虎，张尔扬. 一种灵活的实时FPGA数据配置方法[J].通信技术,2003(02):23-24

[8]Altera Corporation. Cyclone III Device Handbook, Volume 1[R].[s.l.]:Altera Corporation, 2008.