8bit DAC芯片設(shè)計和測試方案

新一年的集創(chuàng)賽已如火如荼的展開~

為了讓大家更多的了解該賽事，小編整理了2021年的優(yōu)秀作品供學(xué)習(xí)分享

在每周一為大家分享獲獎作品，記得來看連載喲 ~

杯賽題目：DAC芯片測試

參賽要求：本科生組

賽題內(nèi)容：

NIC公司最近正在競爭一個8bit DAC芯片設(shè)計的訂單機(jī)會，需要按照甲方需求盡快提交芯片的設(shè)計和測試方案參加評審會。你們作為NIC公司的芯片研發(fā)和測試團(tuán)隊，承擔(dān)了這個任務(wù)，需要在2021年8月31日以前完成芯片的設(shè)計和測試方案，方案的好壞直接決定了甲方是否會和NIC公司合作。

甲方對于芯片的設(shè)計和測試方案要求如下：

1) DAC芯片架構(gòu)為R-2R，分辨率為8bit

2) DAC芯片的接口和封裝形式可自行設(shè)計

3) 要求基于Multisim實現(xiàn)該DAC芯片的電路原理仿真(基于分立器件的電路原理功能性仿真)

4) 要求基于Ultiboard實現(xiàn)該DAC芯片的測試接口板設(shè)計

5) 要求基于IECUBE-3100完成該DAC芯片的自動化測試方案設(shè)計，測試項需要盡量多的覆蓋該DAC芯片的靜態(tài)參數(shù)指標(biāo)和動態(tài)參數(shù)指標(biāo)測試(至少覆蓋：INL&DNL，THD，SFDR，SINAD，SNR)，并給出每種指標(biāo)的測試原理和基于制定測試平臺的實現(xiàn)方式

6) 要求提交該DAC芯片的Multisim仿真源文件、Ultiboard設(shè)計源文件和Gerber文件以及測試方案詳細(xì)設(shè)計文檔

團(tuán)隊介紹

參賽單位：湖南工業(yè)大學(xué)

隊伍名稱：會飛的特斯拉

參賽人員：張佳棟 汪敏琪 尋彬彬

總決賽獎項：三等獎

1.項目簡介

1.1 DAC設(shè)計

本數(shù)模轉(zhuǎn)換器由開關(guān)電路、濾波電路、R-2R電阻網(wǎng)三部分組成，控制信號通過控制開關(guān)電路的開通與關(guān)斷，進(jìn)而控制基準(zhǔn)電壓施加在不同的R-2R電阻網(wǎng)接口上，來決定電阻網(wǎng)最后的輸出電壓，最后通過二階低通有源濾波電路對輸出信號進(jìn)行濾波，使其輸出波形更加光滑，提高了輸出波形的精度。為了避免輸出非光滑信號時由于濾波電路本身的特性而產(chǎn)生失真，本設(shè)計加入了一個撥動開關(guān)SW1，控制濾波電路與電阻網(wǎng)之間的連接與斷開。以消除此種影響。

開關(guān)電路是由八個nMOS與八個pMOS構(gòu)成八個CMOS開關(guān)。每個CMOS開關(guān)輸出端連接一個運(yùn)放，其作用是防止八個CMOS開關(guān)電路相互干擾，導(dǎo)致輸出信號失真。同時每個運(yùn)放的輸出管腳與反向輸入端管腳短接，產(chǎn)生電壓跟隨的作用，不會影響開關(guān)電路的輸出。

本數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的正弦波形如下圖所示。

1.2 測試方案

1.2.1 IECUBE-3100介紹

IECUBE-3100是一個面向半導(dǎo)體測試教學(xué)的實訓(xùn)平臺，Ready to teach的完整教學(xué)方案產(chǎn)品，包含教學(xué)課件、實驗指導(dǎo)書和實踐實驗平臺。課程內(nèi)容及實驗設(shè)置完全來源于實際工業(yè)應(yīng)用，適合半導(dǎo)體測試基礎(chǔ)教學(xué)、實訓(xùn)及競賽等應(yīng)用場合。

IECUBE-3100的可用資源包括可編程直流電源(0V~6V、0V~25V、-25V~0V)、雙通道示波器、邏輯分析儀、數(shù)字I/0、波形發(fā)生器、通用PCI DUT接口、面包板、數(shù)字萬用表。支持USB、WIFI連接?？捎?a target="_blank">LabVIEWCPython來進(jìn)行開發(fā)。

1.2.2 測試流程圖

1.2.3 DNL / INL測試

差分非線性(DNL)是指DAC局部(細(xì)節(jié))的非線性程度，可以這樣理解，在理想的情形下，在數(shù)字編碼中的1LSB變化對應(yīng)于輸出模擬信號的嚴(yán)格的1個V_LSB變化。DAC從一個模擬電壓輸出轉(zhuǎn)換到下一個模擬電壓輸出應(yīng)該有嚴(yán)格的1個V_LSB模擬輸入的變化。在模擬信號對應(yīng)于1個V_LSB數(shù)字變化大于或小于1個V_LSB的地方，被稱為DNL誤差。

通過配置3100的數(shù)字IO產(chǎn)生8位二進(jìn)制數(shù)字鋸齒信號，將信號接入接口板中的D0-D7接口，其中D7為最高位，D0為最低位，并將基準(zhǔn)電壓通過接口板中的REF接口接入，供電電壓通過接口板中的VDD接口接入，數(shù)字鋸齒信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到輸出波形，此時將SW1撥至斷開濾波電路位置，3100的示波器通過Vo2采集到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號并傳入到LabVIEW中。通過設(shè)置采樣點和采樣時間來獲得一個周期的完整的鋸齒信號，為了減少偶然誤差，將采集頻率設(shè)置為數(shù)字IO輸出頻率的十倍，即每一個數(shù)據(jù)點采集十次取平均值，即為該數(shù)據(jù)點的模擬電壓，通過LabVIEW編程快速將256個點的模擬電壓測出，從第二個數(shù)據(jù)點開始每個數(shù)據(jù)點的輸出電壓與前一個數(shù)據(jù)點的輸出電壓之差減Vlsb后再除Vlsb所得的最大值即為該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的DNL。DNL積分后得到INL。

1.2.4 THDSINADSFDRSNR測試

1.2.4.1 測試步驟

電源施加合適的電源電壓和參考電壓，輸出端接負(fù)載電阻;

數(shù)字碼型發(fā)生器給待測DAC施加規(guī)定幅度和規(guī)定頻率fs的數(shù)字正弦信號;

待DAC工作穩(wěn)定后，通過對輸出波形進(jìn)行FFT變換得到輸出正弦波形的功率譜，分別按定義計算出基波信號分量Vs、各次諧波信號分量Vi、噪聲信號分量Vn、最大雜波分量Vz。經(jīng)過FFT變換后，得到的圖像如下圖。

1.2.4.2 信號分量測量

通過配置3100的數(shù)字IO產(chǎn)生8位二進(jìn)制數(shù)字正弦信號，將信號接入接口板中的D0-D7接口，其中D7為最高位，D0為最低位，并將基準(zhǔn)電壓通過接口板中的REF接口接入，供電電壓通過接口板中的VDD接口接入，數(shù)字正弦信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到輸出波形，此時將SW1撥至接入濾波電路的相應(yīng)位置，3100的示波器通過Vo1采集到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號并傳入到LabVIEW中。對采集到的波形通過進(jìn)行諧波失真分析，采集到波形的基波電平和2-10次諧波信號分量

輸出信號進(jìn)行偏移和縮放后進(jìn)行諧波失真分析得到信號的基頻，同時通過輸出信號經(jīng)過FFT變換得到信號的功率譜。

進(jìn)行諧波失真分析將高級搜索范圍設(shè)置為基頻的倍數(shù)，循環(huán)10次，可以得到采集波形的基波信號分量V_s和2-10次諧波信號分量V_i。

在各次諧波信號分量中判斷最大值，得到最大雜波分量V_z。將輸出信號再一次進(jìn)行諧波失真分析，設(shè)置最高諧波為1，高級搜索范圍為基波的倍數(shù)，循環(huán)10次，進(jìn)而得到采集波形去除基波和2-10次諧波之后的波形，并將這個波形傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器模塊對基頻倍數(shù)附近很小范圍進(jìn)行的頻率進(jìn)行濾波，最后得到調(diào)制后的信號，調(diào)制信號電平標(biāo)準(zhǔn)差即為噪聲信號分量V_N。

1.2.4.3 參數(shù)計算

測量得到輸出模擬信號的基波信號分量V_s、各次諧波信號分量V_i、最大雜波分量V_z、噪聲信號分量V_N，在LabVIEW中的公式節(jié)點中插入各項參數(shù)的計算公式，即可得到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的動態(tài)參數(shù)。具體公式如下

2.軟件界面介紹

2.1 動態(tài)參數(shù)測試界面

2.2 靜態(tài)參數(shù)測試界面

本軟件分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩個模塊，測試時，在左側(cè)列表中選擇IECUBE-3100儀器、配置直流電源、數(shù)字I/O和示波器。儀器配置好后點擊“start inport data ”使數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，此時“inported date”界面中顯示輸出信號的各項參數(shù)，然后點擊“start”開始測試模擬信號的靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，“Test Results”顯示各項測試結(jié)果。

3.參賽體會

3.1 參賽感受

在比賽過程中，為了解決遇到的問題，不斷在集成電路測試領(lǐng)域進(jìn)行探索，我們的軟硬件設(shè)計能力在學(xué)習(xí)過程中得到很大提升。

此次大賽作為集成電路行業(yè)頂尖的比賽，云集了全國250多家院校，3000多支隊伍的參加，經(jīng)過初賽、分區(qū)賽，NI杯共有24支隊伍進(jìn)入總決賽，能與這么多優(yōu)秀的大學(xué)生進(jìn)行同臺競技，讓我們開拓了視野，將目光不止局限于學(xué)校。通過比賽，也使我們更加了解了集成電路領(lǐng)域的發(fā)展，提升了自己的能力。非常感謝賽事組委會的老師和工作人員對此次大賽的辛苦付出，讓我們可以有這樣一個充分展示自己的平臺。

3.2 后續(xù)計劃

本數(shù)模轉(zhuǎn)換器將會進(jìn)一步優(yōu)化，使其達(dá)到更高的精度。

自動化測試軟件后續(xù)將會精簡算法，使測試達(dá)到更高的速度

后續(xù)將會豐富軟件的功能，使其可以測得更多的參數(shù)，可以更加全面的了解器件性能。

　　審核編輯：湯梓紅