广域ADC误差修正测试方法研究∗

杨景阳 刘路扬 吕 兵

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

广域ADC（模数转换器）泛指输入模拟量电压幅值较广的ADC，它的作用是将模拟信号转换为数字信号［1］。作为模拟技术和数字技术的接口，近年来，广域ADC被广泛地应用于工业控制、雷达、通信等领域，在信息技术中起着重要作用［2］。然而受限于当前测试系统硬件及软件资源能力，广域ADC的测试需要设计外围电路间接地提升测试设备的测试能力，但是引入了外围电路也就引入了误差，从而影响广域ADC的测试精度，降低广域ADC测试结果的可靠性，因此，如何修正因外围电路引入带来的误差具有重大的工程实用价值。

现有的测试设备只能够提供±2.56V的电压幅值，无法满足广域ADC的输入电压幅值需求，无法进行直接测量。在广域ADC和测试系统之间增加运算放大器，设计外围电路使得运算放大器的输出输入成一定比例来提高测试系统源的驱动能力以满足测试广域ADC所需要的电压幅值。但加入了运算放大器也就引入了运算放大器的误差，误差保证测试系统源的精度也就无法保证测试结果的准确度。传统电压补偿法是测量运算放大器的输出电压，推算出该输出电压与理论值的误差，再通过运算放大器外围电路配置反推运算放大器的输入电压误差，将该误差手动补偿至测试系统交流源提供的斜波电压中，该种方法虽然可以抵消因运算放大器的带入而引起的系统误差，但是每次根据不同的测试子板不同的运算放大器外围电路配置需要不断的推算，同时这种推算误差的精度取决于对运算放大器外围电路电阻值的测量精确度，直接影响测试结果的精度。本文研究了运算放大器的误差源，在数字处理部分采用误差修正算法抵消误差，并在Catalyst-200上验证算法的可靠性和精确性。

2 误差修正技术研究

针对本系统的误差修正研究，首先分析系统的误差源。一般误差源分为三个方面：检测系统本身的误差、外界环境影响和人为因素，对于本系统来说，除了电路板上多了一个运算放大器以及它的外围电路，其余误差源都是相同的，因此，研究主要为修正因运算放大器的引入而引起的系统误差，即增益误差和失调误差。

图1 误差修正系统结构图

如图1所示，由测试系统的BBAC SRC（高精度模拟信号源）输出一个斜波信号A，通过被设定好4倍放大的运算放大器，形成4倍原先电压幅值的斜波信号B，该斜波信号B同时通过被测ADC和高精度ADC进行模拟/数字量转化最终被测试系统的数字通道HSD分别捕获抓取并进行数据处理运算。

在数字子系统HSD中，对高精度ADC的输出数字量进行线性拟合，得到实际直线L1，并与理想直线L2进行比较，应用误差修正补偿算法，得到斜率误差及偏移误差，此误差与放大器的带入而引入的增益误差和失调误差有着密切的关系。在线性ADC中，增益误差的定义为，ADC输出标准二进制码从全0码到全1码值增益的实际值与理想值之间的误差；失调误差的定义为，ADC模拟输入为0时数值标准二进制码实际值与理想值的误差。按照以上定义，增益的数学定义即为直线的步长，也即直线的斜率，因此增益误差即直线的斜率误差；同时失调误差是指当增益误差调整为0时模拟输入为0时数值标准二进制码实际值与理想值的误差，因此失调误差即与直线的斜率和偏移量同时具有线性关系。

最后可以将物理问题转化为数字问题进行思考，通过数学计算得到斜率误差和偏移量，并将该修正的误差带入到被测DUT测量的增益误差和失调误差中，从而提高被测DUT的测试精度。

3 误差修正补偿算法

测试系统的BBAC source输出斜波信号，通过运算放大器，由高精度ADC对运算放大器的输出直接进行采集，并输入到数字通道在数字子系统HSD中转化为模拟量进行线性化处理得到实际直线L1：y=k1x+b1，由输入斜波信号的理论值推算可得到理想直线L2：y=k2x+b2。如图2所示，L1与L2之间的斜率变化和偏移量变化即运算放大器的增益误差和失调误差。图中L1的斜率可用k1来表示，k1=tanα，偏移量即b1；L2的斜率可用k2来表示，k2=tanβ，偏移量为b2。因此可以得到式（1）：

图2 线性关系

L1为24位高精度ADC实际拟合得到的直线，L2为斜波信号理想直线，L1可通过旋转偏移的方式与L2重合，先将L1直线的倾角α转成 β，再将偏移b1转成 b2，这样 L1和 L2即重合，转换到以斜率 k1，k2表示，加入因运算放大器引入的增益误差g和失调误差e，如式（2）所示：

式（2）中左边的L1经过增益误差的乘积和失调误差的偏移，最终与L2重合。可得到式（3）：

通过式（3）即可求得线直线L1和L2之间的斜率变化量和偏移量，即运算放大器增益误差和失调误差，将该误差补偿到被测ADC输出拟合直线中，即可消除直线中运算放大器带来的增益误差量和失调误差量，最终得到被运算放大器放大后的真实波形。

4 基于Catalyst-200平台的实验验证与分析

Catalyst-200可提供高精度的BBAC模拟源、最纯净的模拟信号、高速实时的数字子系统HSD，为模拟量和数字量的同步处理提供硬件支持。

图3 误差修正前后INL对比图

由Catalyst-200内部集成的高精度模拟信号源BBAC SRC输出斜波信号，通过运算放大器放大电压幅值后同时激励高精度ADC和被测ADC，进行模拟/数字量转换，再由数字通道采集给数字子系统HSD进行误差修正补偿得到相对纯净的斜波信号数据，最后进行点击率算法处理得出ADC的静态参数INL、DNL、Gain error、Zero error。对比误差修正补偿前、传统电压补偿法和误差修正补偿法的静态参数结果进行分析。如图3所示，为上述三种状态的静态参数INL对比图；图4为上述三种状态的静态参数DNL对比图；图5为上述三种状态静态参数测试结果对比图。

图4 误差修正前后DNL对比图

图5 误差修正前后的静态参数测试结果对比图

以AD7863ARZ-10为例，静态参数结果测试对比如表1所示。

如表1所示，不采取任何补偿措施直接对原始参数进行测量，INL参数超出了一点点限制范围，DNL还在限制范围内，增益误差超出限制范围很多，失调误差还在限制范围内；使用传统的测量方法，即对BBAC SRC端采用电压补偿的方式，所有的静态参数测试结果皆在限值范围内；加入了误差修正算法后的测试结果亦在限值范围内。

由表1可以分析，对于INL和DNL这两个参数，补偿前后其实差别并不大，因为INL和DNL主要反映地是每个测量点与相邻两个点之间的关系，而运算放大器电路的引入带来的是增益和失调的改变，因此从表1可以很明显地看出，增益误差经过了补偿修正后有着很明显的改观，失调误差相差不大，说明运算放大器的引入给系统带来误差影响因素较大的是增益误差，而失调误差因素的影响相对来说微乎其微。误差修正测试结果与传统电压补偿测试结果对比验证了误差修正补偿测试方法的可靠性和精确性。

表1 AD7863ARZ-10静态参数测试对比表

5 结语

为满足广域ADC的输入电压幅值以及测试精度需求，本文设计了广域ADC误差测试硬件系统，分析了系统误差源，研究了广域ADC误差修正测试方法，提高了广域ADC的测试精度。相比较传统电压补偿法，彻底解决了系统模拟前端手动补偿电压幅值的问题，在系统数字后端自动处理将运算放大器的系统误差修正补偿。最后通过大规模数模混合测试设备Catalyst-200验证了算法的可靠性和精确性。因此，该方法具有较强的工程实用性。