數位類比轉換器 (DAC) 的 INL 與 DNL 量測參考設計

此範例將透過 NI PXI 平台，說明數位類比轉換器 (DAC) 的積分非線性 (Integral Non-Linearity，INL) 與差動非線性 (Differential Non-Linearity，DNL) 測試作業。

概述

INL 與 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。

DAC 為進行 INL 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. 測試 INL/DNL 的基本硬體設定概念

 

目前共有 2 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」方法則採用首次與最新的量測作業，做為參考線路的結果。

不論何種方法，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)。

硬體設定

此參考設計將使用 1 組 PXI-6552 或 PXI-6542 高速數位 I/O (HSDIO) 介面卡，以產生斜波 (Ramp)；還有 1 組 PXI-5922 彈性解析度的示波器，可量測類比輸出電壓。雖然此處的示波器是用以加快量測作業，但是 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 介面卡所提供)；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。

硬體連結

圖 2 顯示儀器連接 DAC 的方法。

 

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圖 2. NI 硬體與DAC DUT 介面卡之間的硬體接線簡圖

 

對儀器與 DUT 之間連結作業的摘要：

• 透過 SMU Channel 1 對 DAC 晶片供電

• 將 HSDIO 資料輸出通道連接至 DUT 數位輸入

• 將 HSDIO CLK OUT 連接至 DUT 時脈輸入

• 透過差動連結功能，將 DAC 類比輸出連接至示波器輸入

軟體設定

透過人機介面的「Setup」分頁，即可設定參考設計範例程式碼：

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圖 3. INL/DNL 測試範例程式碼的人機介面

 

所應設定的量測參數如下：

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 1 kHz。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 針腳。

範圍 (Scope) 參數

如下所述設定示波器：

a)     選擇 2 個通道，以於 DAC 輸出上執行差動量測

b)     選擇垂直範圍，必須大於 DAC 峰值對峰值 (Peak-to-peak) 的輸出範圍。選擇下 1 個更大的量測範圍，將示波器的動態範圍最大化。

c)     設定多倍取樣係數 (Oversample ratio)。多倍取樣係數 (Oversample Ratio)，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。

INL 的方式

選擇 INL 量測作業將使用「Best-Fit」或「End-Point」分析法。

軟體概述

參考的軟體設計，共使用 NI LabVIEW、NI-Scope，與 NI-HSDIO 驅動程式。下列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。

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步驟1：「Generate DAC Digital Data.vi」建立數位斜波波形資料。該圖顯示如下。

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Generate DAC Digital Data.vi

 

步驟 2：「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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HSDIO Configure.vi

 

步驟3：「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 3 個週期。由於首次量測可能包含開機狀態的相關雜訊與聲響 (Ringing)，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 (此 Case 3 中)。

  

Configure Horizontal Params.vi

 

步驟4：「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。並將 PXI-5922 的解析度設定為「Flex-resolution」模式，接著選擇 PXI clock 10 做為參考時脈，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。亦將透過「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 Ohm，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。

   
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Scope Configure.vi

 

步驟5：「niScope Initiate Acquisition.vi」將裝載至示波器，以擷取 DAC 對下 1 次觸發的輸出響應。

步驟6：「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。並將輸出模式設定為「DC Voltage」，並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。

 
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Power Supply Configure.vi

 

步驟 7 與 8：開始示波器擷取作業，後接 HSDIO 產生作業

步驟 9 ~ 13：停止並關閉 HSDIO、示波器，與電源供應器

步驟 14：截取 1 個量測週期

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Extract Single Cycle.vi

 

a) 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。即因如此，在示波器擷取到實際的斜波訊號之前，將有 1 段僅蒐集雜訊的無感時間 (Dead-time)。為了將此雜訊排除於 INL/DNL 分析作業之外，共將擷取 3 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 3 組斜波週期的中央區段，以進一步處理資料。

b) 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。

 

步驟15：計算 DNL 與 INL

Mathscript 節點即用以計算 INL 與 DNL。下圖即顯示 INL 與 DNL 的運算。

下載參考設計程式碼

INL/DNL 量測參考設計

相關連結

線上教學影片 - DAC 測試：INL 與 DNL