自動(dòng)執(zhí)行ADC數(shù)據(jù)收集

本文介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的自動(dòng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。它討論了自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集的優(yōu)勢(shì)以及硬件和軟件的詳細(xì)說明。它繼續(xù)解釋系統(tǒng)的操作并給出一些數(shù)據(jù)示例。

介紹

為了更高效、更可重復(fù)地表征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可以自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)置。有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

由于軟件配置了測(cè)試設(shè)備，因此每次檢定零件時(shí)都使用相同的儀器設(shè)置。

當(dāng)軟件捕獲數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)將其存儲(chǔ)在文件中，自動(dòng)消除由于數(shù)據(jù)輸入不正確而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。手動(dòng)獲取數(shù)據(jù)時(shí)，必須手動(dòng)寫入所有數(shù)據(jù)，然后手動(dòng)輸入到文件或電子表格中。這些步驟很繁瑣，并且可能是錯(cuò)誤的來源。

由于PC正在驅(qū)動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)收集過程，因此收集數(shù)據(jù)的速度比手動(dòng)完成的速度要快得多。幾分鐘內(nèi)即可采集數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。手動(dòng)收集相同數(shù)量的數(shù)據(jù)可能需要幾天時(shí)間。一旦數(shù)據(jù)在指定的文件中，就可以將其保存為文本文件，以便可以使用Gnuplot或Excel等軟件程序輕松評(píng)估或繪制。

由于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室儀器都具有通用接口總線（GPIB）接口，因此幾乎任何手動(dòng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量都可以自動(dòng)化。

GPIB的背景

GPIB 最初由惠普公司開發(fā)為 HP-IB，是一種高速通信接口，可實(shí)現(xiàn)可編程儀器的互連和控制。控制器卡通常駐留在PC中，用于控制各種測(cè)試儀器，如邏輯分析儀、信號(hào)和數(shù)據(jù)發(fā)生器、數(shù)字電壓表和電源。GPIB由IEEE標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在以GPIB，HP-IB和IEEE-488總線三個(gè)名稱而聞名。

自動(dòng)設(shè)置的優(yōu)勢(shì)

使用自動(dòng)測(cè)試設(shè)置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它加快了表征零件的任務(wù)。理想情況下，軟件應(yīng)該提前編寫和調(diào)試，這樣當(dāng)零件可用時(shí)，就不會(huì)花費(fèi)寶貴的時(shí)間編寫和調(diào)試軟件代碼。對(duì)于我們的測(cè)試設(shè)置，Visual C++被選為編程語言。

通過 功能 自動(dòng) 化 測(cè)試 設(shè)置， 一些 更 困難 的 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換 器 繪圖， 如 積分 非線性 （ INL）、 微分 非線性 （DNL） 和 快速 傅里葉 變換 （FFT） 圖 可以在 幾分鐘 內(nèi) 提供。

模塊化軟件允許重復(fù)使用其他程序。通過靈活的代碼，該軟件可以輕松修改為具有不同速度和分辨率的其他轉(zhuǎn)換器。

自動(dòng)設(shè)置的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，設(shè)計(jì)工程師不需要熟悉設(shè)備和儀器，因?yàn)檐浖?huì)自動(dòng)對(duì)所有儀器設(shè)置進(jìn)行編程。盡管對(duì)設(shè)備的基本知識(shí)對(duì)于確保準(zhǔn)確的結(jié)果仍然至關(guān)重要。在測(cè)試運(yùn)行時(shí)，工程師通常不必親自到場(chǎng)。通常，監(jiān)督測(cè)試和獲取數(shù)據(jù)的任務(wù)被委托給實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員，從而進(jìn)一步解放工程師。

設(shè)置要求

GPIB 接口卡

GPIB 接口卡插入其中一個(gè) PC 擴(kuò)展槽，允許 PC 與具有 GPIB 接口的任何測(cè)試儀器進(jìn)行通信。每臺(tái)儀器都需要一根 GPIB 電纜。儀器使用串行菊花鏈互連，從PC開始，到最后一個(gè)儀器結(jié)束。每臺(tái)儀器都需要一個(gè)唯一的 GPIB 地址?？捎玫刂窞?0 到 31。GPIB 總線上可以包含的儀器數(shù)量取決于電纜的長度及其連接方式。在實(shí)際應(yīng)用中，可同時(shí)連接多達(dá) 10 臺(tái)儀器。

模式生成器

模式生成器創(chuàng)建用于與被測(cè)設(shè)備 （DUT） 通信的所有 I/O 數(shù)據(jù)模式。由于在本例中，ADC具有串行輸出，因此模式發(fā)生器也用于提供控制解串器板時(shí)序的信號(hào)。解串器板允許更有效地使用邏輯分析儀存儲(chǔ)器。串行外設(shè)接口（SPI）信號(hào)（時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和片選）來自碼型發(fā)生器。對(duì)于雙線I2C接口，生成時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)。由于I2C數(shù)據(jù)線是雙向的，因此需要具有集電極開路緩沖器的電路。

數(shù)據(jù)模式通過 GPIB 接口加載。GPIB 接口還控制碼型生成器的設(shè)置。

邏輯分析儀

對(duì)于ADC，邏輯分析儀用于捕獲轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在文件中。邏輯分析儀的設(shè)置由GPIB控制，但由于GPIB的速度限制，我們的數(shù)據(jù)文件通過局域網(wǎng)（LAN）傳輸?shù)絇C。

信號(hào)或脈沖發(fā)生器

需要兩個(gè)信號(hào)/脈沖發(fā)生器。一個(gè)用于生成轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（或采樣頻率）。另一個(gè)用于生成ADC輸入信號(hào)（或測(cè)試頻率）。來自兩個(gè)單元的信號(hào)應(yīng)同步。這稱為相干測(cè)試。請(qǐng)注意，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘發(fā)生器驅(qū)動(dòng)碼型發(fā)生器。

電源

電源電壓需要為DUT和解串器板供電。如果需要，這些電源可以進(jìn)行編程，以進(jìn)一步自動(dòng)化測(cè)試設(shè)置。

直流電源

需要一個(gè)干凈的直流電源為ADC或DAC提供基準(zhǔn)電壓源。我們的設(shè)置中使用了Datel校準(zhǔn)器。

反序列化板

該電路用于將ADC的串行數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換為并行格式，以便邏輯分析儀可以更有效地捕獲數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)可以通過代碼反序列化，但并行格式可以更好地利用邏輯分析儀存儲(chǔ)器。

圖 1 說明了儀器如何與 PC 互連以及彼此互連。對(duì)于并行接口ADC，不需要解串器板。

圖1.串行或并行輸出ADC設(shè)備的互連。

軟件

該軟件是使用Visual C++開發(fā)的，與Win95 / 98或Windows NT兼容。這些程序都是使用GUI界面在Windows中編寫的，使其用戶友好。

該軟件的主要功能之一是稱為 INIT 或 SETUP 的初始化功能（參見圖 3）。當(dāng)操作員單擊此功能時(shí)，它會(huì)在模式生成器中設(shè)置正確的模式，并設(shè)置邏輯分析器，以便準(zhǔn)備好捕獲數(shù)據(jù)。操作員無需觸摸儀器，只需確保它們已通電并正確連接。

該軟件允許操作員選擇轉(zhuǎn)換器采樣率和設(shè)備的分辨率。它還允許控制采集的樣本數(shù)量。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，數(shù)據(jù)將寫入文件。

使用兩個(gè)程序，一個(gè)用于控制和數(shù)據(jù)采集，另一個(gè)用于分析數(shù)據(jù)?？刂坪筒杉绦蚩刂茢?shù)據(jù)生成器并從邏輯分析儀獲取數(shù)據(jù)。分析軟件計(jì)算 INL、DNL 和 FFT。

還可以為其他測(cè)試開發(fā)軟件，例如零電平誤差、滿量程誤差和增益誤差。然而，這需要一個(gè)軟件伺服回路，并且是另一個(gè)應(yīng)用筆記的主題。

分析軟件是一個(gè)通用程序，可用于分析任何ADC的數(shù)據(jù)。以下是該軟件的示例屏幕。

圖2.測(cè)試81的屏幕。

圖3.用于控制的屏幕。

操作

要對(duì)INL或DNL執(zhí)行FFT或測(cè)試，必須正確選擇測(cè)試頻率和采樣頻率，以確保：（1）轉(zhuǎn)換器中的所有數(shù)字代碼都得到執(zhí)行，以及（2）信噪比和諧波失真測(cè)量不會(huì)受到測(cè)試方法的影響。使用質(zhì)數(shù)方法，獲取質(zhì)數(shù)個(gè)測(cè)試音周期，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)端點(diǎn)之間沒有中斷。該方法產(chǎn)生頻譜純結(jié)果，其中測(cè)試音和諧波都包含在一個(gè)頻率箱中。也就是說，F(xiàn)FT具有有限帶寬的離散頻率箱。正確選擇采樣和測(cè)試音頻率會(huì)導(dǎo)致測(cè)試音的所有能量出現(xiàn)在單個(gè)頻率箱中。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘發(fā)生器和測(cè)試音發(fā)生器必須同步以進(jìn)行相干測(cè)試，這一點(diǎn)很重要。

例如，給定采樣頻率f樣本=100ksps，測(cè)試音頻率f測(cè)試= 1kHz，獲取的點(diǎn)數(shù)N = 4096，我們可以確定應(yīng)該使用什么頻率。每個(gè)頻率箱的帶寬由f樣本/N=24.41。將此結(jié)果四舍五入為 25Hz。現(xiàn)在重新計(jì)算采樣頻率得到 25 × N=102.4ksps。要確定測(cè)試音頻率，請(qǐng)從 f 開始測(cè)試/25=40。選擇最接近 40 的質(zhì)數(shù)，即 41。這會(huì)產(chǎn)生重新計(jì)算的測(cè)試音頻率 41 × 25=1025Hz。請(qǐng)注意，f測(cè)試是一個(gè)有理數(shù)，可以很容易地加載到大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器中。無理數(shù)會(huì)導(dǎo)致FFT泄漏并導(dǎo)致錯(cuò)誤的SNR。單面FFT將有2048（N/2）個(gè)箱。假設(shè)每個(gè)箱的寬度為25Hz，F(xiàn)FT應(yīng)擴(kuò)展到51.2kHz，正好是f樣本/2.所有測(cè)試音能量應(yīng)在第 41 個(gè)箱或 25 × 41=1025Hz 處。

用于測(cè)試頻率的函數(shù)發(fā)生器應(yīng)具有低失真。如果沒有低失真信號(hào)發(fā)生器，可以使用濾波器來減少諧波。

使用以下步驟完成數(shù)據(jù)收集過程：

單擊 INIT 按鈕，以便設(shè)置邏輯分析儀和碼型生成器。

輸入將存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)的文件名。

如有必要，請(qǐng)選擇要測(cè)試的轉(zhuǎn)換器的分辨率。這通常設(shè)置為默認(rèn)為正確的值。

選擇 FFT 中的點(diǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)換數(shù)。

單擊“運(yùn)行”按鈕。此時(shí)，程序?qū)⒃O(shè)置轉(zhuǎn)換器，開始轉(zhuǎn)換并捕獲所需的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)量。然后，數(shù)據(jù)將保存在所需的文件中。

保存數(shù)據(jù)后，可以將文件加載到 Test81 或任何其他從原始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)計(jì)算所需信息的程序。

FFT結(jié)果可以繪制成與測(cè)量相關(guān)的各種諧波或雜散圖。此外，動(dòng)態(tài)性能數(shù)字顯示在控制窗口和繪圖上。其中包括SFDR，SNR，SINAD，THD和ENOB。每個(gè)諧波（最多五分之一）與頻率和相對(duì)電平一起表示。

INL和DNL可以使用ADC輸入端的線性斜坡信號(hào)或使用正弦直方圖方法進(jìn)行計(jì)算。正弦直方圖方法的優(yōu)點(diǎn)是使用干凈的正弦波，而不必生成高度線性的斜坡。對(duì)于具有交流輸入信號(hào)的應(yīng)用，正弦直方圖方法是更好的ADC性能晴雨表，因?yàn)樗峁┙涣鬏斎氲臏y(cè)試數(shù)據(jù)，這與某些僅使用直流輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試的轉(zhuǎn)換器不同。

要設(shè)置正弦直方圖 INL/DNL 檢驗(yàn)，請(qǐng)運(yùn)行素?cái)?shù)周期計(jì)算。這可確保執(zhí)行所有代碼箱，并且整個(gè)直方圖將具有正弦概率分布1。轉(zhuǎn)換器應(yīng)略微過驅(qū)動(dòng)。這將溢出直方圖的第一個(gè)和最后一個(gè)箱，但此數(shù)據(jù)將被丟棄。自動(dòng)計(jì)算失調(diào)和增益，并生成DNL和INL圖。

下面是使用 Gnuplot 繪制的示例圖。

圖4.動(dòng)態(tài)性能 （FFT） 圖。

圖5.直方圖。

圖6.DNL 圖。

圖7.INL圖。

審核編輯：郭婷