INL/DNL雙管齊下　PXI實現數位類比轉換器量測

2010-05-04

小樵

INL與DNL為量測DAC常見的方法，目前透過PXI模組化儀器與軟體即可有效量測DAC，並透過響應方式，避免INL與DNL在測試過程中，可能發生的增益與偏移錯誤。

積分非線性(INL)與差動非線性(DNL)是於類比數位轉換器(ADC)與數位類比轉換器(DAC)上進行的量測作業。INL與DNL並可能發生增益與偏移錯誤，用以定義裝置的靜態錯誤(Static Error)規格。

INL為進行DAC量測作業的常見方法，可為DAC輸入提供數位「斜波(Ramp)」，並將「DAC所擷取的響應」與「理想狀態的響應」進行比較(圖1)。目前共有兩種常見方法，可選擇INL量測分析的合適響應，「Best Fit」方法將針對DAC響應量測作業，選擇最合宜的參考線路，可將錯誤情形降至最低；「End Point」法則採用首次與最新的量測作業，作為參考線路的結果。無論何種方法，INL代表量測與理想反應之間的最大差異值；而DNL代表連續輸出量測之間的最大增幅誤差(Incremental Error)。

圖1　測試INL/DNL的基本硬體設定概念

透過PXI設定測試硬體架構

本文參考設計將使用一組PXI-6552或PXI-6542高速數位輸入/輸出(HSDIO)介面卡，以產生斜波，還有一組PXI-5922彈性解析度的示波器，可量測類比輸出電壓。此處的示波器是用以加快量測作業，數位萬用電表(DMM)亦可用以量測DAC的響應。其他系統元件包含DAC時脈源(此處是由HSDIO介面卡提供)，還有低雜訊的電源供應器，由PXI-4130電源量測單位(SMU)供電至DAC。

圖2顯示儀器連接DAC的方法。對儀器與待測物(DUT)間連結作業的摘要，包括第一步透過SMU Channel 1對DAC晶片供電，第二步為將HSDIO資料輸出通道連接至DUT數位輸入，第三步則將HSDIO CLK OUT連接至DUT時脈輸入，最後透過差動連結功能，將DAC類比輸出連接至示波器輸入。

圖2　硬體與DAC DUT介面卡間的硬體接線簡圖

在軟體設定方面，透過人機介面的「Setup」分頁，即可設定參考設計範例程式碼(圖3)。所應設定的量測參數如下：

圖3　INL/DNL測試範例程式碼的人機介面

‧	電源供應器參數
	針對晶片的電軌(Power Rail)選擇合適電壓，並設定電流限制以保護晶片與測試系統。

‧	DUT參數
	將時脈率設定約為1kHz。再根據DAC資料表中的規格，設定相關解析度與輸出電壓。

‧	HSDIO參數
	設定HSDIO輸出連接至DAC的列表。DAC時脈率將於系統內部設定為DUT時脈率，並匯出至HSDIO的Clock Out接腳。

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可依各步驟設定示波器。步驟一選擇兩個通道，以於DAC輸出上執行差動量測，步驟二選擇垂直範圍，必須大於DAC峰值對峰值(Peak-to-peak)的輸出範圍，並選擇下一個更大的量測範圍，將示波器的動態範圍最大化。步驟三為設定多倍取樣係數(Oversample Ratio)。多倍取樣係數為示波器針對各個DAC輸出值所擷取的樣本數量，若對DAC輸出進行多倍取樣，則可透過平均作業提升INL/DNL量測的精確性。此外，若選擇INL量測作業將使用「Best-Fit」或「End-Point」分析法。

本文參考範例的軟體設計，共使用LabVIEW、NI-Scope與NI-HSDIO驅動程式。圖4所示的程式圖則顯示人機介面的程式碼，此圖是使用「Railroad Track」配置進而組織而成，可更輕鬆進行讀取。第一組軌跡控制電源供應器，第二組軌跡控制HSDIO，第三組軌跡控制示波器，最後的軌跡則是執行分析。以下分別介紹人機介面程式碼設定順序。

圖4　人機介面程式碼程式圖

‧	步驟一
	「Generate DAC Digital Data.vi」建立數位斜波波形資料(圖5)。

圖5　Generate DAC Digital Data.vi建立數位波形

‧	步驟二
	「HSDIO Configure.vi」將根據使用者於人機介面上所設定來源名稱與通道，進行HSDIO介面卡的初始化。接著將設定時脈率，並將參考時脈源設定為PXI clock 10，以同步化示波器與HSDIO，亦將於人機介面的「SMB Connector」上匯出Sample Clock，以連接DAC，最後，會將斜波訊號下載至HSDIO所內建的記憶體中。

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「Configure Horizontal Params.vi」將產生示波器的組態參數，以擷取斜波訊號響應的三個週期(圖6)。由於首次量測可能包含開機狀態的相關雜訊與聲響，因此若擷取多個DAC輸出響應的週期，則可讓量測分析演算法忽略首次量測，示波器的時脈率即為多倍取樣係數乘以DAC時脈率。記錄的長度即為DAC步進數目乘以示波器多倍取樣率，再乘以DAC響應曲線量測週期數。

圖6　Configure Horizontal Params.vi產生示波器組態參數

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「Scope Configure.vi」將根據使用者於人機介面所使用的來源名稱與垂直參數，進行示波器的初始化(圖7)。並將PXI-5922的解析度設定為「Flex-resolution」模式，接著選擇PXI Clock 10作為參考時脈，以同步化示波器與HSDIO，亦將同步化DAC輸出量測作業，以更新斜波訊號。稍後將根據使用者於人機介面所指定的數值，設定如輸入範圍、偏移與偶合的垂直參數，並透過「Configure Horizontal Params.vi」所產生的數值，設定水平參數。最後將示波器輸入阻抗設定為50歐姆(Ω)，且觸發器類型將設為Analog Edge，若使用者的DAC裝置可達相關規格，則使用者可能選擇高阻抗的輸入設定。

圖7　Scpoe Configure.vi進行示波器初始化

‧	步驟五
	「niScope Initiate Acquisition.vi」將裝載至示波器，以擷取DAC對下一次觸發的輸出響應。

‧	步驟六
	「Power Supply Configure.vi」根據使用者於人機介面所設定的電源供應與通道名稱，進行SMU的初始化作業(圖8)，並將輸出模式設定為「DC Voltage」。同時啟動電壓與電流限制的自動範圍(Auto-ranging)功能，接著設定輸出電壓強度與電流限制，以保護DUT與測試設備。當SMU設定完畢，隨即啟動電源供應。

圖8　Power Supply Configure.vi執行SUM初始化

‧	步驟七與八
	開始示波器擷取作業，後接HSDIO產生作業。

‧	步驟九至十三
	停止並關閉HSDIO、示波器與電源供應器。

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截取一個量測週期。首先截取單一斜波訊號週期，以進行分析數位波形產生器，一旦發出數位觸發訊號，則示波器隨即開始擷取資料。在示波器擷取到實際的斜波訊號之前，將有一段僅蒐集雜訊的無感時間(Dead-time)，為將此雜訊排除於INL/DNL分析作業之外，共將擷取三組斜波訊號週期。先找出各組斜波週期的起點(於DAC輸出訊號上進行衍生分析)，即可截取三組斜波週期的中央區段，以進一步處理資料。再者，平均各組DAQ編碼的量測作業，示波器本已設定對DAC輸出電壓進行多倍取樣，因此可平均各組DAC編碼的量測值，可得到更精確的量測結果。