先进的DAC测试技术详解

1.DAC测试参数

DAC的静态参数包括：分辨率、输出范围（FSR）、最低有效量值（LSB）、微分非线性（DNL）、积分非线性（INL）、失调误差、增益误差、精度等。动态参数包括：信号噪声比（SNR）、噪声失真比（SNDR或者SINDR）、总谐波失真（THD）、互调失真（IM）。交流参数包括最大转换速率以及建立时间。表11-8为一个12bitDAC的参数表。

表11-8 DAC器件参数表

2.DAC静态参数测试原理

图11-54为DAC静态参数测试图。从图中可以看出，波形数字化仪、波形发生器、波形数据捕获存储器、DSP部分对于DAC的静态线性度测试可以省去。这些静态参数的测量通过数字PMU测试方法来完成。图11-54中数字子系统主要用来驱动DAC输出位数和其他数字引脚如写（WR）、片选（CS）或时钟等，要满足时序要求，转换曲线如图11-55所示。

图11-54 DAC静态参数测试图

DAC静态参数的测量是在较低的测试信号频率下进行的，通过设置一些数字输入码，将其输入芯片，然后测量输出值，通过实测的传输特性与理想传输特性的比较来确定DAC的静态参数。重要的DAC静态参数如下。

图11-55 DAC转换曲线

（1）分辨率

分辨率（Resolution）是指DAC输出电压可分辨的最小范围。如果用比特来描述的话，应该是满量程输出电压值除以2的n次幂，n为DAC的位数，该参数用来计算在相邻输入数字代码之间DAC的最小输出电压变化量。公式为

分辨率=U_FSR/（2ⁿ-1） （11-18）

式中，U_FSR为满刻度输出。

（2）满刻度输出（Full scale range）

满刻度输出U_FSR是指DAC产生的最大输出电压与最小输出电压的差值，有时也写为FSR。ADC的输出可以描述为电流或电压，可以是正值、负值或正负值。只有正向或只有负向输出的器件称为单极性器件，正、负向均有输出的器件称为双极性器件。该参数的测量是通过先测量DAC的正向满刻度输出电压（U_FS+），然后测量DAC的负向满刻度输出电压（U_FS-），则U_FSR为

U_FSR=U_FS+-U_FS- （11-19）

（3）失调误差（Offset error）

对于实际的器件，当向被测器件输入数字量00…00或零电平数字信号时，理想输出电压应为零，但实际输出电压偏离0V，理想输出与实际输出的偏差值称为失调误差。公式为

失调误差=U_ZS-U_ZS理想 （11-20）

（4）增益误差EG（Gain error）

如图11-55所示，增益误差EG是指转换特性曲线的实际斜率与理想斜率之偏差。测试时，在规定的电源电压和参考电压下，在数字输入端施加规定的逻辑电平（全“0”码）。将失调E₀调整为零（E₀：DAC模拟输出电压的实际起始值与理想起始值之偏差）。然后在数字输入端施加规定的逻辑电平（全“1”码）在模拟输出端测得电压U′_FSR。则增益误差EG（%FSR）为

式中，U_FSR为理想输出满量程电压。

（5）最低有效位量值（LSB）

LSB是指DAC由于输入代码改变引起实际输出变化的最小增量，一个线性DAC的传输特性表示为一系列沿45°线的点，在图的左边是二进制输入代码每相邻代码增1，比如对于8位DAC从0到255，则输出电压增量为

式中，FSR为输出满量程电压；bits为DAC的位数。

理想的LSB通过测量FSR来计算，LSB是实际DAC转换曲线的平均步长，以每位多少伏形式表示DAC增益，故它取决于器件的失调误差和增益误差。

（6）差分非线性（DNL）

在器件工作时，理想条件下两相邻输入数字量所对应的模拟量差值应相等，实际上由于元器件参数不理想，使其相邻差值不同。差分非线性表示刻度间的量化误差，是指相邻两输入数码对应的模拟输出电压之差的实际值与理想U_LSB间的最大偏差，测量方法是首先计算两相邻数码对应的模拟输出电压之差，并与理想U_LSB相比较，取其偏差的绝对值的最大值|ΔU_j|max，由下式计算求出DNL，即

（7）积分非线性（INL）

与DNL相对应，INL是实际输出的模拟电压与理想输出值的最大误差。对任意给定输入和所有差分非线性，它是一种积累误差。积分非线性是通过测量传输特性曲线中各点输出电压偏离线性的整体程度，取其最大误差。即

（8）单调性（Monotonic）

单调性是衡量当输入数字量发生一个最低位（LSB）变化时，输出模拟电平应有相应增减变化的能力。简单讲就是，输出随输入的增加而同样增加。这对于DAC是一个很重要的参数，对于一个非单调性的DAC，在完成循环时会锁在两个相邻的代码上。如果DNL小于±1LSB，则单调性就可以保证。通常定义单调性的比特数小于或等于器件的精度。如14位DAC的单调性定义为12bit。(www.xing528.com)

（9）转换精度误差EA

EA表示DAC的模拟输出电平与其预定值偏离的程序，是指实际转换特性曲线与理想转换特性曲线间的最大偏差。测试时在数字输入端施加规定的逻辑电平（全“0”码），将失调E₀调整为零，然后在数字输入端施加规定的逻辑电平（全“1”码），将增益误差EG调整为零。最后在数字输入端施加规定的逻辑电平（所有数码），在模拟输出端分别测得每一数码对应的电压。将测得的每一数码对应的电压与理想的模拟输出电压相比较，取其偏差的绝对值的最大数|ΔU_j|max。

为了保证数据处理结果的准确性，DAC必须有足够高的转换精度。同时，为了适应快速的过程控制和检测需要，DAC还须有足够快的转换速度。因此，转换速度和转换精度是衡量DAC性能优劣的主要标志，通常用分辨率和转换误差来描述。

3.动态参数测量

在器件以正常频率工作的情况下，通过测试系统的波形产生器生成不同的测试波形，将这些波形数据向量加到DAC输入端，在DAC输出端对模拟输出进行A-D转换，得到的数据通过DSP进行FFT变换，再进行计算和处理。重要的DAC动态参数包括信噪比（SNR）、信号噪声和失真比（SNDR或SINAD）、全部谐波失真（THD）、互调失真（Intermodulation Distortion）、建立时间（Setting time）、无杂散动态范围（SFDR）。上述动态参数的测量，除建立时间外，其余属于频域测试，有关内容可参考本书第6章。

（1）信噪比（SNR）

信噪比反映了器件在有噪声干扰或阻塞条件下检测小信号的能力。测试SNR时，需要将完整正弦波的波形数据的数字文件输入DAC，在DAC的输出经防混叠滤波、数字化及频谱分析得到基波及谐波，去掉基波及谐波分量所剩的频谱成分即为DAC噪声。SNR即基波幅度与所有噪声幅度的比值，一般用dB形式表示。计时包括噪声成分失真与全部谐波失真的组合，但不包括bin=kM的谐波本身，公式为

式中，N是FFT的采样数；M是测试波形的周期数；U_binM是测试波形基波幅度；U_bin是噪声和各次谐波幅度。

（2）信号噪声和失真比（SNDR或SINAD）

SNDR是基波与噪声和失真的比值。它表现了基波的幅度与所有其他频率幅值的比率，公式为

式中，N是FFT的采样数；M是测试波形的周期数；U_binM是测试波形基波幅度；U_bin是噪声和各次谐波失真幅度。

（3）全部谐波失真（THD）

与运算放大器中THD参数的含义相同，但DAC中THD的测量方法不同，这是因为其输出的模拟信号是离散的。将正弦波的二进制代码送到DAC输入端，则在DAC输出端的模拟信号经防混滤波和波形数字化，得到输出波形采样值，再经FFT变换得到DAC输出波的频谱，在频域中进行分析，找出任意一个含有谐波的信号与基波的关系。THD以dB来表示，计算公式为

式中，N是FFT的采样数；M是测试波形的周期数；U_binM是测试波形基波幅度；U_bin是噪声的各次谐波失真幅度。

（4）互调失真（IM）

互调失真是测试出现在一个器件信号中的非谐波产生项，它是由一个信号中的两个频率成分的非期望调制引起的。此调制是被测器件的非线性特征产生的结果。此参数的测试是通过将两个不同频率的正弦曲线进行叠加后输入器件，并寻找频率成分之和及频率之差的bin。互调失真测试波形如图11-56所示。

传输特性曲线的非线性产生的谐波称为IM乘积项，分别是二次谐波（比如f_t1+f_t2，f_t1-f_t2）、三次谐波（2f_t1+f_t2，2f_t1-f_t2，f_t1+2f_t2，f_t1-2f_t2）等的总和，通常到五次谐波可以忽略，一般通过计算低频的幅值除以二次谐波有效值的总和来计算IM。

图11-56 互调失真测试波形

（5）建立时间（Setting time）

对于DAC器件，建立时间（t_set）是用来定量描述其转换速度的参数。t_set的定义是：从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差±1/（2LSB）范围以内的这段时间。因为输入数字量的变化越大建立时间越长，所以一般器件给出的都是从全0跳变为全1时的建立时间。

（6）无杂散动态范围（SFDR）

SFDR是指基波的幅值与非基波bin最高幅值之比。它表现的是器件工作的频谱下绝对噪声和无动态失真范围。同SNR相同，SFDR也反映了器件在有噪声、干扰或阻塞条件下检测小信号的能力。

对于不同的DAC芯片，动态参数的范围也不尽相同，特别是SNR、THD、SFDR这几个参数的数值受芯片的采样频率、输入频率和分辨率的影响较大。

4.DAC测试参数分析

（1）差分非线性和积分非线性

由DAC的差分非线性和积分非线性的定义可知，需测试DAC的以单位数1为增量的全部码所对应的电压量值和对应的增量值。而数字量总是以数字时钟为节拍进行工作的，因此测量每个码增量对应的电压增量或测量码增量后绝对码值所对应的DAC输出电压值，必须在增量码的时钟周期内采样才能正确测量其数值。这就是说，DAC的电压测量必须与输入的数字量周期严格同步，也即是通过与数字周期同步采样的方法实现测试。

（2）信噪比、失真度、无杂散动态范围

由DAC的信噪比、失真度、无杂散动态范围等参数的定义知，要测量这些参数，必须对DAC的输出信号作频谱分析，有了频谱分析结果，则很容易从频谱分析结果数据中找出相关的频率成分而完成相应参数的计算。要实现对DAC输出信号的频谱分析，首先要在DAC输入端加纯正弦波的波形数字化数据，将这个正弦波数据输入DAC，转换为正弦波形输出，再通过对DAC输出正弦波形的采样量化，得到DAC输出正弦波的波形数字的数据，利用快速傅里叶变换，从这个波形数据求得DAC输出正弦波的频谱。

DAC输入的纯正弦波形数据的准确度必须远远高于DAC转换输出的正弦波的准确度，这是必需的。因为输入DAC的正弦波形数据是来源于一个很准确的正弦函数表，这个准确的正弦函数表被保存在一个ROM中，由数字子系统根据正弦函数表和产生波形的具体要求，生成要求波形的数字序列，通过驱动器加到DAC的输入。整个数字测试子系统成为DAC输入数字信号的产生仪器。

由于DAC内部电路的误差、失配和干扰，使DAC特性产生非线性变化，从而产生出许多谐波成分，出现在DAC输出波形中。因此，DAC输出的正弦波存在各种误差和失真。为了能测出DAC输出正弦波存在的这些误差和失真，必须使用准确度至少比DAC准确度高10倍的测量仪器，测出的数据才能可信。假若被测DAC分辨率为12位，那么模拟捕捉仪ACI至少要有16位的分辨率。

ACI的作用首先是采样，然后量化采样的波形，把波形数据存储在高速捕捉存储器中，以数字信号处理器DSP构成的计算系统完成捕捉数据的大量计算而求得频谱。这里要求ACI有高于10倍DAC的准确度，目的在于由测试仪器ACI引入的测量误差可以略而不计，从而准确测量DAC本身的误差。这时根据得到的DAC输出正弦波的频谱，就可进一步完成有关参数的计算。