基于ZYNQ+FPGA的ADC通用测试平台的设计与实现*
2019-12-04钱宏文刘继祥
钱宏文，李 凯，刘继祥
（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）
0 引 言
芯片测试技术随着集成电路的发展越来越受到重视，特别是中兴事件以后，国家对国产芯片的研发力度加大。多种类、大批量高速高精度ADC的指标测试将是一项比较庞大的任务，需要一款ADC通用测试平台快速测试不同种类的ADC。目前，国内的测试平台几乎都是针对单款或几款ADC进行测试，缺乏通用性，而国外的测试平台（Automatic Test Equipment，ATE）[1]测试成本高。因此，本文提出一种相对廉价的ADC通用测试平台。该测试平台能够兼容不同电压，且兼容目前主流的LVDS、CMOS以及JESD204B共3种接口的ADC。同时，利用LabVIEW开发上位机配置测试平台参数，并动态显示测试参数，还支持在线升级ADC测试程序功能。经过实验，对比测试结果和参考值验证了测试系统的可行性。
1 测试平台硬件设计
本系统是一款SOC+FPGA架构的采集控制板。控制板分为2部分：模拟电源部分和数据采集控制部分。
模拟电源包括3部分：
（1）3路可调电源[2]可以给待测ADC测试板供电，可利用上位机调节各路电源的输出电压。同时，每路具备3路电源电压和电流检测功能监控电源部分，保证在电路工作异常时能及时切断电源；在模拟部分还包括2路高精度的DAC，用于在测量低速ADC时可以作为信号源使用。
数据采集控制部分采用SOC+FPGA架构，SOC采用XILINX的ZYNQ[3]，FPGA采用K7。该板子对外支持COMS、LVDS以及JESD204B接口，同时接口电压支持1.8 V、2.5 V、3.3 V范围内可选。FPGA用来控制待测ADC采集数据，并通过LVDS接口把数据上传到ZYNQ，之后ZYNQ通过千兆网口把数据上传到上位机对数据进行分析。此外，该系统支持通过上位机对FPGA程序进行在线更新，以方便快捷地测试不同的ADC芯片。系统硬件结构如图1所示。
图1 系统硬件结构
1.1 低噪声的可调电源设计
电源部分是测试ADC性能指标的关键。合理的原理设计及电源布局是电源设计成败的关键。本系统采用LDO+DAC的设计思路，实现电源的连续可调。具体电路如图2所示。
由于LDO具有低噪声、低纹波特性，而DAC具有较小分辨率的输出，两者配合可实现品质优良的且输出连续可调的电源解决方案。在该电路中通过把LDO的反馈电阻接到DAC的输出，通过控制DAC的输出控制LDO的输出，从而实现电源的连续可调。实验证明，该电源电路可以在1.2～5.5 V范围内进行连续可调。调节下线与LDO内部参考电压决定。
1.2 FPGA程序更新接口电路设计
本系统的FPGA程序更新采用selectMAP接口，具体接口电路如图3所示。
为了能够实现利用selectMAP进行FPGA程序的更新，本系统的控制芯片采用ZYNQ，该芯片集成了ARM与FPGA，支持千兆网口，除了可以满足高速率采样数据的上传，还能利用内部的FPGA实现selectMAP接口时序来对K7160T进行程序的更新。
图2 可调电源电路
图3 K7 selectmap接口电路
2 LabView上位机设计
采用LabView作为系统上位机，与ZYNQ千兆网口进行通信。上电初始化后，上位机通过网口把ADC采集程序程序发送给ZYNQ，然后ZYNQ通过selectmap接口把程序下载到FPGA中，通过上位机控制电源模块对ADC子板进行供电和数据采集。上位机通过点击数据回传按钮就可以回传采集的数据，同时上位机根据回传回来的数据利用FFT进行频域分析[4]，根据指标测试公式自动计算出ADC各项动态参数，包括SNR、SIND、ENOB、SFDR、THD、基波频率及基波幅度等。此外，由于数据量大，为方便管理，控制面板还支持数据保存至TXT或者EXCEL，同时能支持保存频域波形截图的功能。上位机界面如图4所示。
图4 ADC测试平台上位机界面
3 测试结果分析
为了验证本平台在ADC指标测试方面的可行性，利用ADI的AD***作为被测对象，专门设计AD***的测试子板插接在该平台板上进行指标测试。以下给出不同测试条件下的测试结果。
（1）AVDD=1.8 V，DVDD=1.8 V，内部基准VREF=1.0 V，差分满幅输入方式，常温下测试结果如表1所示。
表1 AD＊＊＊指标测试结果
通过以上实测数据与datasheet数据比较可以看出，所测指标在80 MHz采样率时与datasheet指标比较吻合，在125 MHz采样率时指标有所下降，但与指标相差最大在2 dB范围内，基本可以接受。
4 结 语
国内近几年来微电子技术和集成电路方面发展迅速。随着国内在高速ADC技术领域的高速发展和我国对高速ADC芯片需求领域的不断扩大，对高速ADC的测试方法和测试手段带来了巨大挑战。电路的测试是保障产品质量和性能的关键环节，因此提出了一种高速ADC通用测试平台的解决方案，能够满足不同种类的高速ADC指标测试的需求，大大节省了ADC测试的成本和时间，经过实验验证了该方案的可行性。本设计在电源部分设计还存在一些不足，没有包含高电压、负电源的设计，后续可考虑结合DC/DC实现高电压、负电源设计，从而满足更多种类的ADC的指标测试需求。
