随着数字转换器(adc)的日益复杂，在实验室环境中分析和表征这些器件变得越来越困难。提高adc特性的彻底性的一种方法是使用PC机自动进行台架测试。这种方法有很多优点，而且几乎不需要额外的努力。使用自动化代替人工测试的最重要的好处是，在表征过程的早期，可以获得转换器性能的更完整的视图。此外，一旦系统就位，设计向量来调试甚至复杂的设计错误通常是直截了当的。

有许多方法可以使用PC来自动表征IC。它们的范围从使用简单的并行端口接口来操纵控制位，到使用闭环伺服系统来全面表征器件性能的各个方面。下面的讨论将主要关注用于表征MAX1115 - MAX1119 8位连续逼近寄存器(SAR) adc的方法。这种方法足够精确，可用于表征分辨率高达12位的类似转换器。许多与使用并行和串行端口来表征设备相关的问题都在《电子设计》杂志上发表的文章“pc提供经济而有效的自动化测试系统的关键”中进行了介绍。

系统设置

为了对MAX1115进行表征，使用了美国国家仪器公司(National Instruments)的高速数字I/O卡(PCI-DIO-32HS)和定制表征板。PCI-DIO-32HS 32通道数字I/O板可用于以20MHz的速率从(或从)自定义表征板向(或从)PC硬盘传输矢量。表征板的示意图如下所示。

原理图左边的6个max541是16位串行dac。它们用于提供被测设备(DUT)的VDD电源电压/参考电压和两个输入信号。此外，还提供了用于调整数字输入电压摆幅到被测件的输入电平移位电源和输入信号DAC参考电压。紧邻dac右侧的器件是OP27缓冲放大器。OP27是一款高精度运放，可为每个DAC提供高达10mA的驱动电流，而DAC的16位性能仅略有下降。原理图顶部的电路是输入电源调节和调理，以及MAX6341，一个4.096V的精密参考电压。在原理图的右侧是串行到并行移位寄存器、串行终止器和PCI-DIO-32HS接口连接。

静态测试

通过静态测试，您可以控制电源和对被测件的参考，将各种测试信号送入被测件，并轻松捕获设备对这些信号的响应。在MAX1115的情况下，所有直流精度规格的验证精度超过了在大批量生产测试环境中实现的实际精度。这是通过在每个DAC代码处使用DUT多次测量ADC输入(实际上是DAC输出)来实现的。有了这些数据，不仅可以确定积分非线性(INL)、微分非线性(DNL)、增益和偏移误差，还可以确定噪声、内部参考电压、通道间耦合和匹配，以及这些参数对电源电压的依赖关系。在几秒钟内获得了一套完整的直流规格，这允许在将数据与生产测试设置获得的数据进行比较之前收集统计数据。因此，可以更快地识别和解决实验室数据和测试地板数据之间的相关问题。

动态测试

为MAX1115开发的测试系统不是为了验证动态参数，尽管这样的系统可以扩展到进行动态测试。为了实现这一点，可以使用高速并行DAC来产生输入信号。也可以通过循环先进先出(FIFO)存储器更新DAC以产生正弦波(或其他重复波形)，在测量过程中从PC发出的信号最少。另一种选择是使用外部信号发生器生成测试信号。

这种类型的测试系统的一个很好的特点是很容易获得大量的数据样本。通过动态测试，该功能可以相对轻松地获得良好的频率分辨率和更多的输入测试频率，从而增加对被测件特性的信心。

精度

上面概述的方法是一种开环表征方案，并且足够精确，可以扩展到10位系统。这种方法的优点是速度快。表征板固有的精度和分辨率(相对于DUT)允许相对准确地确定每个ADC代码中心和边界。

对于更高精度的转换器(12位或更高)，可能需要设计一个闭环测试系统。这可以以与上面概述的相同方式构建，并添加高精度数字电压表。数字电压表可以通过通用接口板(GPIB)卡，PC机的串行或并行端口或以太网连接到同一台测试PC机。PC用于步进表征dac并在DUT中找到每个代码边界。一旦确定了每个代码边界(在DAC代码中)，PC就会使用高精度DVM测量DAC电压。对于非常高分辨率的DUT，可以使用多个dac(彼此按分辨率缩放)来提高DUT代码边界测量的精度。

速度

虽然上面概述的开环测试系统用于速度相对较慢的转换器(100ksps)，但它直接适用于速度更高的adc。通过增加板载逻辑(甚至可能是现场可编程门阵列)和板载时钟，可以提供必要的信号，以20Msps的速度从16位ADC(串行或并行)捕获数据，并使用国家PCI-DIO-32HS接口板。这将需要一个高速并行测试DAC和一个循环FIFO存储器来加载重复的测试波形，如上所述。

设计失误识别

在需要识别和纠正设计错误的情况下，这种快速的台架表征允许一个可控的、迭代的评估循环(即假设、实验设计、结果的测量和评估、进一步的假设、实验设计等)，从而更快地识别设计错误。可以想象，与更手动的方法相比，即使是复杂的错误也可以在几天内识别出来，而不是几周或几个月。

基于pc的表征系统的问题

通常，基于pc的表征系统最重要的问题是信号完整性和公共电源噪声。一旦理解了，这些问题就可以得到缓解，在某些情况下甚至可以完全消除。

信号完整性是由于布线系统中接地过少和寄生过高造成的。其结果是在电缆两端的波形中有较大的过冲和过冲。有许多方法可以用来减少这个问题的严重性。最简单的方法之一是使用级数终止。在这个方案中，一个串联电阻(R(T))大致等于互连电缆的特性阻抗(Z(0))(减去源驱动器阻抗Z(D))，如图所示，被放置在电缆的源端图2。电缆的寄生电容实际上会使电路变成一阶主导系统，在不匹配的接收端上升时间稍慢。在这种方案中，匹配不佳的接收机将快速转换边缘反射回电路的源侧，在那里它们被吸收，因为它的适当终止。

这种方法适用于从表征板到PC接口卡的信号传输，因为终端电阻可以放置在表征板的源端。但是，由于信号从PC接口卡传输到表征板，因此不可能在PC接口卡上添加这些终端电阻。因此，通常需要通过使用更大的串联终端电阻和在终端电阻后增加更多的输入电容来进行过度补偿，以达到可接受的结果(图2)。添加可以改变DIP终端电阻阵列的插座，可以根据电缆长度和所使用的驱动器/接收器组合来改变串联终端电阻的值。

提高表征板上接收端信号完整性的另一种方法是使用分流终端。在该方案中，如图3所示，来自接口板的快速边缘被适当匹配的分流终端吸收。由于这种方法减少了信号摆幅(接口卡中的驱动阻抗是显著的)，因此有必要使用终端电源将输入信号电平调整到输入接收器可接受的逻辑电平。信号摆幅的损失、持续的功率损耗和电缆接地电流的增加都是这种方法的显著缺点。用电容代替终端电源的交流并联终端解决了这些问题，但在能级转换过程中会出现众所周知的亚稳态，因此不推荐使用。

常见的电源噪声是第二个主要问题，因为噪声的PC地通过表征板将噪声电流注入表征台电源和示波器地。这种注入的噪声电流可以在表征板接地上产生显著的电压降(几个LSBs)，这可以耦合到转换器的输入端。

这个问题的一个解决方案是在表征板中使用多个连续接地平面(通过许多过孔连接)，以降低其阻抗，从而降低电压降。隔离接地面往往效果较差，因为隔离接地面之间不可避免地存在电容耦合，而且从pc注入的典型噪声电流频率很高，有效地缩短了隔离接地面。增加用于为表征板供电的工作台电源的隔离(与大地隔离)也会有所帮助。当从被测设备收集数据时，建议移除示波器探头(包括接地)，以消除从PC到示波器探头接地的接地电流。另一种解决方案是在表征板上进行本地电源调节和调节。在调试表征系统时，可能需要进行实验以隔离和消除共模噪声的原因。

结论

MAX1115是一款使用低成本pc数据采集系统的8位ADC，经实验证明是有效和准确的。已经指出了这种方法的许多优点，包括易于与复杂设备连接，更完整和更快地表征静态和动态参数，改进设计错误识别的能力，以及更快地解决相关问题。虽然该方法大纲直接适用于分辨率高达12位、速度高达约500ksps的adc，但在分辨率和速度方面扩展该测试方法的方法已经讨论过。