基于虚拟仪器技术的DAC静态参数测试系统

李岳　韩宾　权恩猛

摘 要：简要介绍了DAC静态参数计算方法，对比、分析了全扫描、位扫描、比较法3种DAC静态参数测试方法。结合虚拟仪器技术软硬件在数据采集和仪器控制领域的强大功能，提出了一种基于虚拟仪器的DAC静态参数测试系统。测试结果表明，该系统能够良好、稳定地计算DAC静态参数，为DAC静态测试技术提供了一个新的发展思路。

关键词：静态测试；DAC；虚拟仪器技术；LabVIEW

中图分类号：TJ765.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.016

数模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）作为数字信号向模拟信号转换的关键接口，被广泛应用于通信、测试测量、自动化和频率合成等领域，行业需求和半导体自身的发展促使DAC向高速、高精度的方向发展。同时，DAC参数测试作为衡量此类器件电路性能的主要手段，研究数模转换器参数测试方法具有十分重要的现实意义。随着半导体行业的高速发展，日益增长的性能需求也从客观上对DAC测试技术提出了更高的要求。

虚拟仪器技术作为最新一代的仪器技术，是计算机和网络对仪器技术发展的一次冲击和融合。虚拟仪器技术分为高性能的模块化硬件和无缝对接的软件两部分，测试用户可以自己定义仪器功能，脱离了仪器厂商对测量仪器功能固化的限制。同时，对于DAC性能参数测试，虚拟仪器技术具有自动测试、网络化、性能高、扩展性强的特点，非常适合运用于DAC测试过程中进行数据采集、数据保存、波形显示和数据结果分析等。

本文分析了DAC静态参数计算方法，对比、分析了3种典型的DAC静态测试方法，即全扫描、位扫描、比较法，阐述了3种方法的优缺点。同时，采用高性能的数据采集硬件采集数模转换器模拟输出信号，将LabVIEW作为软件平台，编写参数测试过程后台程序，控制数据采集和测试流程，采用低功耗的8位DAC样片TLC5620搭建出高效、低成本的DAC静态参数测试系统。测试实验表明，此系统测试结果准确，测试速度快，非常适合应用于DAC静态参数测试领域。

1 DAC静态参数测试基础

1.1 DAC静态参数测试指标

DAC静态参数实质是检测由集成电路在设计、生产、封装时带来的非理想因素。这些非理想因素可能是因为生产工艺、物理缺陷、操作失误等引发的，最后呈现的DAC产品只有经过严格的测试之后才能投入到实际应用中。

DAC最主要的静态参数指标有失调误差（Offset Error）、增益误差（Gain Error）、微分非线性误差（Differential Nonlinearity Error，DNL）和積分非线性误差（Integral Nonlinearity Error，INL）。

1.2 DAC静态参数测试方法

DAC静态参数测试实际上是一种小信号的测试，DAC分辨率位数越高，最低有效位所对应的电压就越小。在给被测DAC数字输入端施加相应的数字码型时，每一位数字码在模拟输出端测试其输出的模拟电压，去除两端跳跃和不稳定的电压波形，测量其中间线性的部分取平均。常用的DAC静态参数测试方法有全扫描、位扫描和比较法。

全扫描也叫全码测试法，就是对DAC每一个二进制点进行逐点扫描。被测试DAC的每一个二进制点经过扫描后，测试结果最精确。但是，全扫描方法需要测试2N个数据，测试过程繁多，测试时间比较长。

位扫描是对被测DAC进行逐位扫描，比较每一位的实际测量模拟输出值与理想输出值。对于1个N位DAC，只需要测试其N次模拟输出值，测试速度比较快。

比较法是同时测量被测DAC与1个标准DAC，将被测DAC模拟输出与标准DAC模拟输出相减。参数计算时，要考虑到标准DAC本身的误差值。这种方法快速、操作简便，但是，对标准DAC的精度和稳定性要求比较高，而且标准DAC的分辨率位数至少要比被测DAC位数高4位，才能有效满足DAC的测试需求。所以，这种方法对高于12位的DAC不太适用。

2 基于虚拟仪器的测试系统

虚拟仪器技术的主体思想是以软件为核心，以计算机为载体。测试用户可以根据其具体应用领域，配合标准化的软硬件设备，自定义用户需求。一般情况下，硬件采用适合测试领域的数据采集模块，软件以LabVIEW为平台执行开发测试程序。

DAC静态参数测试系统需要给被测DAC数字码型输入端施加相应的数字码，计算和显示采集模拟输出端的输出电压，最后返回测试结果。

图1为DAC静态参数测试系统结构图。其中，参考电路接入被测DAC的REF参考电压引脚，作为DAC模拟输出的参考电压，电源给被测DAC提供稳定的工作电源，晶振电路给被测DAC提供相应的时钟频率，滤波电路滤除测试过程中存在的噪声。虚拟仪器硬件和软件配合实施控制DAC的信号采集、分析、处理、计算和显示。

图2为在DAC数字端施加的数字码型，最精确的测试方法是全扫描，但是，它测试时间太长。这就促使测试用户重新选择一种数字代码选择方法来替代全码测试。图2所示的数字代码是在位扫描基础之上的，不但要考虑DAC内部每一个单元出现系统误差和随机误差的情况，还考虑到数字码型之间可能出现的相互干扰的情况。

图3为DAC静态测试后台程序，主要包括设置DAQ采集模块的通道和采样率。通过调用DAQ采集驱动程序采集到DAC输出电压值，再通过计算将测试结果返回到前面板进行显示。后台程序对应前面板，即测试的人机界面，主要包括了DAC信号采集参数设置、用户管理、数据保存的功能，DAC模拟输出端信号波形实时显示，测量数据实时显示，并且保存在用户指定储存文件夹下。

3 测试结果分析

本文采用了一款低功耗串行8位电压输出型数模转化器TLC5620来搭建基于虚拟仪器技术的DAC测试系统。测试系统数字输入模块是PXI-6541数字波形发生器，该模块每个通道方向可控，具有高容量的板载内存，适合高速测试场合。DAC测试系统模拟采集模块采用的是PXIe-6366高性能数据采集设备。该模块具有高处理能力的PCI Express总线、NI-STC3定时和同步技术，保证了模拟数据采集的稳定性和可靠性。特别需要注意的是，模拟输出数据采集与DAC时钟要匹配，才能正确采集到数据。测试过程如图4所示。

图4是在人机界面观察到的DAC静态参数测试实时数据和波形图，模拟输出波形对应数字输入码型，模拟输出实时数据记录在TDMS文件里，保存在测试用户自定义的保存路径下。

图5是DAC静态参数测试模拟输出结果经过最小二乘拟合出的曲线。由该曲线可以看出，被测DAC模拟输出的性能，理想的DAC模拟输出曲线应该为一条斜线。

表1是实验室环境下几种静态测试方法的测试结果对比情况，最大值是TLC5620数据表给出的测试极端情形。最大值是一个范围，超出最大值表示DAC被损坏或不正常。全扫描静态测试方法与位扫描静态测试方法的结果相差不大。这说明2种方法的测试精度差不多，但是，位扫描静态测试方法的测试速

度更快。

4 结论

本文提出了一种基于虚拟仪器技术的DAC静态参数测试系统，将虚拟仪器技术自动化测试、性能高、扩展性强的特点与DAC静态参数测试过程相融合。测试结果表明，系统能够良好地测试DAC静态参数，采用不同的测试方法将会有不同的测试精度和测试速度。

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〔编辑：白洁〕