模/数转换板测试仪

燕一松，李涛涛，闫晨阳

(西安电子科技大学电子信息攻防对抗与仿真重点实验室，陕西西安 710071)

1 系统总体设计

模拟/数字转换板在当前电子设备系统中起着重要作用，其工作状态是否正常直接影响电子产品的工作。本文设计的模数转换板测试仪，能对A/D转换板的性能进行测试。该仪器主要由测试主机，适配器和电缆组成，如图1所示。

图1 A/D测试仪整体结构图

其中测试主机由测试模块，控制通信模块和处理显示模块等几部分组成。测试模块由FPGA配置外围电路组成模拟信号产生器，控制模块由ARM负责系统各部分之间的信号传输控制，显示处理模块对适配器返回数据进行分析处理并且显示测试结果。适配器内装载两个PC104接口的128针插槽，一个接校准板，对模拟电压输出进行测试校准;另一个接待测A/D转换板，进行模拟数字转换并将转换结果由串口输出给显示处理模块。

2 硬件平台设计

系统由FPGA，ARM，20位高精度DAC和上位机组成。FPGA采用Cyclone3系列进行总体控制，并辅以AD5791产生模拟信号源，ARM选择三星公司的AT91RM9200控制系统通信，上位机使用平板电脑内置在主机箱进行测试控、制通道选择、数据处理和结果显示。在内部电路设计过程中，为降低温度漂移对输出稳定的影响，PCB采用多点接地，数字地和模拟地分离以降低压降，选择器件AD8676作基准缓冲和AD8675作输出缓冲［1］。A/D输出选用SMA接口，并使用同轴电缆将主机箱与测试箱进行互联。电缆选用尽量短的等长线制作，并进行共地线处理，线粗为0.8 mm，通过降低内阻控制线上温度的上升来减小误差。

3 软件设计

3.1 FPGA与ARM接口设计

FPGA接收ARM提供的数据和通道选择地址，进行解码和后续处理并传输给其他部分。ARM中数据存储输出格式由静态存储控制器(SMC)控制［2］。设计使用型号ARM9200提供8个寄存器，选择SMC_CSR3，其偏移地址0X0C，复位状态0X00002000。根据FPGA部分采样要求，SMC状态字配置选择每帧16位传输，数据保持两个周期，每个有效指令分为两个16位数据发送，由FPGA控制采集数据，合成所需要的配置信息。

FPGA接收程序数据通信部分如图2所示。ARM发送同步数据的时钟工作频率为60 MHz，由奈奎斯特采样定理可知［3］，数据采集接收频率必须在120 MHz以上，FPGA连接晶振频率为40 MHz，使用3倍频率120 MHz时钟进行采样接收，将采集到的数据信息和通道配置信息输出给测试信号源产生模块。

图2 FPGA数据接收模块

由ARM给FPGA发送数据，当数据有效位CS为低电平时，取数据data和地址addr，由于一组数据分两次传输，识别数据字头并放入寄存器reg_1，reg_2存储。等待两组数据传输完毕，将两组数据需要的位数取出，重组为24位AD5791识别的有效指令reg_sum，将addr解码并匹配对应通道与数据一起传输给A/D配置模块，控制A/D模块开始工作。

图3 数据接收模块Signaltap采样图

3.2 上位机与ARM接口设计

上位机控制信息由串口发送给ARM，ARM串口波特率选择9 600 bit·s－1，工作时钟为60 MHz。根据接收指令，检测到信息字头进入相应中断，进行数据接收处理。上位机发送的配置信号为通道选择和配置电压，每一组为9 Byte，共72位，由字头、数据位数、通道地址、数据1、数据2和校验位组成，具体如表1所示。

表1 上位机与ARM通信指令结构

ARM内部处理系统为前后台中断系统［4］，当系统检测到数据0X7E7E时进入主函数数据存储中断，将接收到信息按照以上格式进行验证接收，并分别将数据和地址传给FPGA接收端。

3.3 AD接口设计

AD5791为一款精度高达20位、1×10－6精度的数字/模拟信号转换器，待测A/D板转换精度为16位，完全可以满足测试精度需求。为给待测A/D转换板提供测试信号，需要7路稳定模拟输出。数据接收模块输出的信号，经过处理后按照AD5791指定格式对选择通道进行配置。当对应通道选通时，FPGA向A/D提供同步时钟，数据有效信号，控制数据和清零复位等信号对A/D内部寄存器进行工作状态控制、数据读写、清零和擦除等命令。另由于FPGA配置AD5791时钟为20 MHz，根据程序执行时间，配置每个通道需要时间间隔2.5μs，设计中ARM给各通道分别赋值，由空循环达到等待FPGA处理等待。

图4 A/D配置模块时序仿真图

4 数据处理

上位机由串口接收测试箱中的A/D板转化结果，测试结果与输入基准数字电压进行比较计算，求出转换精度和有效位数。经过A/D转换板的CPLD程序对采样数据进行处理，然后输出传给上位机软件。上位机根据采样结果，计算出采样电压的有效值V。取20组采样数据进行平均，同时降低显示刷新速度，显示结果在电压测试结果一栏

其中，设输入基准电压值为V0，另取基准电压值和Vn两端各4组采样值，求他们与电压有效值的差的均方根a，作为误差有效值，然后用噪声有效值除以电压有效值计算出信号传输的信噪比SINAD。

然后根据测量信噪比结合式(4)可以求出A/D转换板有效位数［5］。

其中，ENOB为A/D有效位数;SINAD为信噪比［6］。

由式(5)可以根据A/D精度位数和参考电压量程范围，计算最小分辨率

设计中特定的待测A/D转换板7路通道转换倍率各有区别，分别为10倍输出，5倍输出，2倍输出和基准输出。以一倍转换数据为基准，基准参考电压为－10～+10 V，有效位为16位，最小分辨率0.3 mV。而由于转换过程中产生的误差以及A/D本身的失调误差和增益误差影响，使A/D转换板的转换精度可能降低不到16位［7］。由式(6)

可以计算出转换精度N，并显示在上位机程序界面。若果测试性能不能达到16位，显示结果为红色，状态标注异常。

5 精度校准

本仪器采用20位高精度DA，输出测试电压分辨率为2e－5 V［8］。由于其精度相当高，在硬件板连接外部需要测试的A/D转换板时，由于连接线和外设电阻分压产生的影响，会产生一定的压降，因此加入软件校准。校准板测量端口与待测A/D板输入端导通，在上位机软件中对输出电压进行校准后保存校准数据，将各通道传输中的误差值消除，使设定值与输入端口值完全相等再输入待测板进行测试。若更换测试板或外部设备的电阻有变化，则需要从新更正校准补偿电压。

6 成品展示

硬件设计完成后，参与产品电装与后期抗压和高低温测试。本品在常温20℃与低温－55℃状态下测试结果良好，低温误差范围+100μV，高温状态测试误差范围+200μV，符合设计要求。

图5 模数转换测试仪实物图

7 结束语

设计为定制A/D转换板提供了一套测试设备，对其工作状态及转换性能进行检测。由于硬件限制，设计中误差校准模块仍有部分欠缺。今后将考虑引入校准数字/模拟转换反馈回路，将测试结果反馈输入到配置程序进行误差运算处理，对输出电压进行自动控制［9］，根据外部压降对其造成的影响自动调整输出电压。

［1］MAURICE E.20位 DAC实现1 ppm精度精密电压源［J］.MA USA:Analog Devices，2010，44(2):1 －4.

［2］Atmel.基于 ARM920T的微控制器芯片手册［M］.MA USA:Atmel Corporation，2005.

［3］史林，赵树杰.数字信号处理［M］.北京:科学出版社，2007.

［4］刘凯.ARM嵌入式接口技术应用［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［5］杜向辉，李军侠.信号处理系统的AD有效位数［J］.河南机电高等专科学校学报，2010，18(1):12－14.

［6］MEYER B.Digital signal processing with FPGA［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［7］骆丽娜，杨万全.高速ADC的性能参数与测试方法［J］.实验科学与技术，2007，5(1):145 －147.

［8］Analog Devices.AD5791中文手册［M］.MA USA:Analog Devices，2010.

［9］施仁.自动化仪表与过程控制［M］.北京:电子工业出版社，2011.