ADC电路自动测试系统的设计与实现

ADC电路自动测试系统的设计与实现

李群山，许丽君，秦海峰，罗燕军

摘 要：模数转换器（Analog-to-Digital Converter， ADC）已广泛地应用在雷达、通信、信号采集和处理、工业测量等领域，但对该类产品中ADC电路的测试目前多采用手动方式，过程繁琐，理论计算较多，对人员要求较高，不利于该类产品的大批量制造。针对这种情况，设计并实现了某型电子产品的PCBA级ADC电路自动测试系统，用于该类产品中ADC电路的信纳比（SINAD）、有效位数（ENOB）等参数测试。该测试系统通过高速接口转换盒与被测产品进行通信，将被测产品中ADC采集的原始数据传输至计算机，计算机中设计的专用软件则根据各参数的数据处理算法计算出最终结果并输出结果。该自动测试系统的实现进一步提高了该类产品PCBA级测试的自动化水平，有效提高了该类产品的测试效率。

关键字： 模数转换器；ADC；自动测试系统；PCBA

Design and Realization of ADC Circuit Automatic Test System

Qunshan Li, Lijun Xu, Haifeng Qin,Yanjun Luo

(Southwest Institute of Electronic Equipment Chengdu 610036)

Abstract: Analog-to-Digital Converter (ADC) has been widely used in radar, communications, signal acquisition and processing, industrial measurement and other fields. However, the testing of ADC circuits in this type of product currently uses manual methods. Cumbersome, more theoretical calculations, and higher requirements for personnel, which is not conducive to the mass production of such products. In response to this situation, a PCBA-level ADC circuit automatic test system for a certain type of electronic product was designed and implemented, which was used to test the SINAD and ENOB parameters of the ADC circuit in this type of product. The test system communicates with the product under test through a high-speed interface conversion box, and transmits the raw data collected by ADC in the product under test to the computer. The special software designed in the computer calculates the final result and outputs the result according to the data processing algorithm of each parameter. . The realization of the automatic test system further improves the automation level of PCBA-level testing of this type of product, and effectively improves the test efficiency of this type of product.

Keyword:Analog-to-digital converter; ADC; automatic test system; PCBA

引 言

模数转换器（Analog-to-Digital Converter， ADC）是将输入的模拟信号转换为数字信号输出的器件，广泛地应用在雷达、通信、信号采集和处理、工业测量等领域的产品中，ADC作为模拟电路和数字电路的接口，在系统中起着非常重要的作用。由于产品中ADC电路性能直接影响系统性能，因此对ADC电路动态性能的测试变得十分重要。

目前PCBA级ADC电路的动态性能测试主要依靠人工手动方式进行，首先通过chipscope软件抓取被测产品中ADC采集的原始数据并保存成本地文档，再手动编制该文档使其符合matlab程序处理文本的要求，然后再将该文档复制至指定路径文件夹并运行matlab程序，最后得出该产品ADC电路各动态参数的测试结果。这样的测试方法效率极低、操作繁琐、测试时间长，且不符合大大批量快速制造的需求。面对现状，需要开发自动测试系统来解决PCBA级ADC电路测试效率低下的问题。

本文基于某产品PCBA级ADC电路的测试需求，设计并实现了该产品的ADC电路自动测试系统，以用于电路设计效果评估及生产测试。

1 ADC动态参数

1.1 信噪比（SNR）

信噪比（SNR）指信号均方根振幅与除前六个谐波和直流之外的所有频谱分量均方根和之比。随着输入电平的降低，SNR往往按分贝线性递减。

理想ADC的SNR计算等式：

SNR=6.02N+1.76dB，DC至fs/2带宽范围

许多应用中，实际目标信号占用的带宽BW小于奈奎斯特带宽。如果使用数字滤波来滤除带宽BW以外的噪声成分，则等式中必须包括一个校正系数（称为“处理增益”）。

SNR=6.02N+1.76dB+10log₁₀（f_s/（2*BW）），BW信号带宽

1.2 信纳比（SINAD）

信纳比（SINAD）指信号均方根振幅与所有频谱分量（包括谐波但不含直流）均方根和之比。SNR与SINAD之间的差异即是前六个谐波所含能量。

1.3 有效位数（ENOB）

有效位数（ENOB），单位为位（Bits）。最常用的ENOB计算法采用基于转换器满量程SINAD的以下方程：

ENOB = SINAD−1.76/ 6. 02

1.4 无杂散动态范围（SFDR）

无杂散动态范围（SFDR）指信号均方根值与模拟输入产生最差结果的峰值杂散频谱分量均方根值之比。多数情况下，SFDR为ADC输入信号的二次或者三次谐波。

1.5 总谐波失真（THD）

总谐波失真（THD）指的是信号均方根能量与前六个谐波之和的均方根值之比。

1.6 谐波失真

谐波失真，无论其次数，均指信号均方根振幅与相应次数的谐波分量均方根值之比。

2 自动测试系统设计

2.1 自动测试系统硬件设计

ADC电路自动测试系统硬件主要由主控单元、信号生产单元、直流供电单元、接口通信单元组成。整个测试系统的组成如下图所示：

图1 测试系统硬件组成框图

主控单元是测试系统运行控制的核心，为测试软件运行提供物理载体，并实现对信号生产单元控制，使其生成测试所需的特定频率、功率的信号和时钟；实现对直流供电单元控制，使其输出特定电压，并监控电压及电流值确保供电安全；实现与接口通信单元的通信，接收来自接口通信单元的数据。在ADC电路自动测试系统中，根据测试需求选用通用计算机作为主控单元。

信号生成单元包括：信号源、采样时钟源、滤波器。信号源主要用于提供测试所需的激励信号，为了保证测试的准确性，选用低失真且低噪声的信号源。采样时钟源主要为ADC工作提供高质量采样时钟，同样为了保证测试的准确性，选用低失真且低噪声的信号源。信号源滤波器主要用于抑制信号源的谐波，时钟源滤波器用于抑制时钟源的宽带噪声

直流供电单元主要为被测单元提供工作所需的电源，由于电源噪声会对测试结果产生误差所以选择供电电源时选择低噪声电源。

接口通信单元主要包含高速接口盒，高速接口盒完成网口（LAN）与MLVDS总线接口的转换，实现被测件与自动测试系统中主控单元的通信功能，将被测件中ADC采集的原始数据传输至主控单元。

2.2 自动测试系统软件设计

根据测试系统的测试软件需求，开展基于面向过程的测试软件定制化设计，软件功能功能组成如下图所示，主要由人机界面、用户管理、设备管理、测试管理与控制、数据管理、数据处理分析几部分组成。

图2 测试系统软件组成

人机界面采用Windows风格，操作界面和操作流程规范统一，既方便操作人员的使用，同时也保证了所有测试过程状态信息、数据显示规范、全面，便于操作人员全面、快速掌握设备状态，提高测试效率。

用户管理主要是对操作人员的信息进行综合管理，通过操作人员的权限设置可以决定操作人员对整个系统的使用权限。操作人员的操作日志信息的写入和查询功能也由该部分模块完成。所有信息均记录到数据库，提高了数据管理的安全性和规范性。

设备管理对测试资源进行统一管理，为用户提供可视化界面进行测试资源的地址、服务端口、通信速率等信息设置，同时为测试管理提供测试资源初始化及资源释放统一接口和测试资源使用冲突检查功能。

测试任务管理对于系统适用的所有测试对象及测试指标进行集中统一管理，测试对象和测试指标信息以数据库记录形式保存，测试任务管理功能模块能够对其进行自动查询、显示，用户在执行测试任务时可以灵活、自主选择。

测试控制是测试软件的主控制逻辑，既能够对测试任务的自动执行进行调用，并对测试任务的执行状态进行监视，及时响应操作人员对测试任务执行过程的干预和控制，同时也能够根据测试任务管理信息对测试程序的调用接口进行调用执行，对测试数据进行自动记录。

测试数据管理与分析包括对测试结果的数据库存储以及对数据结果的图形化展示和常用的信号分析功能，帮助用户查看与分析ADC电路的参数特性。

2.3测试流程设计

本系统的测试流程见图3。测试开始后，测试软件首先进行测试资源初始化；初始化成功后，在用户选择测试频段并启动测试后，测试软件自动控制信号源产生所需频率和功率的信号，等待固定时间后，从高速接口盒接收一定长度的ADC数据，接着对接收的数据进行处理分析并给出当前测试频率下的ADC的各动态参数测试结果。接着测试系统控制信号源输出下一频点信号，重复上述过程，直至所有频点测试完成。

图3 测试流程图

3 关键技术

3.1 数据处理技术

在选择FFT法进行ADC电路动态参数测试时，由于采样点数有限会对无限长连续的时域信号进行截断，将截断的时域信号进行谱分析时会产生频谱泄漏使测试结果产生误差，所以通常会采用相干采样或加窗的方法来抑制频谱泄露。

用加窗处理来抑制频谱泄露是以主瓣展宽为代价，高的旁瓣抑制意味着更大的主瓣宽度，在测试ADC 时，选择一个合适的窗并非易事，不同的窗函数导致测试结果不一样。

图4 10Hz正弦波加窗后的频谱图

选用窗函数的原则： 窗函数频谱主瓣尽量窄，以获取高的频谱分辨率；旁瓣高度尽量低同时衰减快，以减小频谱泄露。但是实际满足该原则的窗函数很难找到，只能根据实际应用要求进行折中。

在本测试系统的数据处理部分主要采用以下方法来抑制频谱泄露：1.根据测试的信号频率及采样频率，自适应选择最佳样本总数；2.实现多种加窗函数满足不同测试需求的使用。

3.2 高速接口转换技术

测试系统与被测产品的数据传输主要使用到MLVDS接口，但是计算机没有同样类型的接口，常用的计算机接口只有网口、USB、串口、PCI。为满足ADC采集的数据从被测产品实时传输至计算机的需求，ADC电路自动测试系统中设计了高速接口盒，其主要完成MLVDS接口与网口转换，其硬件设计框图如4所示。

图5 高速接口盒硬件框图

高速接口盒中的核心电路是Zynq电路系统，作为高速接口盒的主控部分，Zynq系统在LINUX环境下运行，主要实现系统的整体逻辑控制及接口协议功能实现。MLVDS接口电路设计实现2组MLVDS接口，每组包含4对MLVDS的输入输出接口电路。网络接口电路设计实现1路千兆以太网。

结语

本文设计实现了一种PCBA级ADC电路自动测试系统，简化了ADC测试流程，有效解决了目前ADC测试效率低下的问题。为了降低ADC参数的测试误差，在测试系统构建时则需要选择高质量的信号源和采样时钟源。

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