Matlab分析dac模拟信号,[滤波器在音频ＤＡＣ测试中的应用] 音频滤波器

摘要：本文给出了模拟滤波器在使用ATE(Automatic Test Equipment自动测试设备)进行高精度音频DAC(数模转换器)测试中的应用，该方法提高了测试准确度，满足了芯片量产测试的需求。论文首先介绍了DAC在ATE上的基本测试方法，然后讨论了应用滤波器的音频DAC测试方案，最后通过Matlab数学仿真和搭建电路对实际的芯片进行测试，证明了该方案的有效性。

关键词：音频DAC；ATE；模拟滤波器

中图分类号：TM930.1

The Application of the Filter for Audio DAC Testing

TANG Zhi-jun

(School of Microelectronics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240，China)

Abstract：This paper provides the application of the analog filter for the audio DAC testing by using ATE. This method improves the accuracy of the ATE testing. This paper introduces the basic test methodology of the DAC testing on ATE, then the new test method implemented with the analog filters, and finally proves this new method with simulation and a real case.

Keywords: Audio DAC；ATE；Analog Filter

1引言

近年来消费类电子发展迅速，功能日趋强大，作为该类芯片中重要组成部分的音频DAC也在不断进步，主要体现在精度也就是分辨率的不断提高，16位、18位、24位的音频DAC层出不穷，而且人们还在致力于研制更高精度的产品。这些高精度转换器的性能对于最终的电子产品的影响很大，所以需要准确地检验出它们的优劣，这就给集成电路测试领域带来了挑战。

在大规模的半导体生产过程中，广泛使用ATE进行芯片测试。ATE是一套由计算机控制的高性能测试设备，可以说是一套高精度的万用表、数据采集卡、分析仪等电子设备与计算机的集合体。计算机通过一套称为测试程序的指令来控制这些电子设备。而这些测试程序的主体是由一些周期化的测试向量构成的。通常，对于DAC，主要是使用ATE的数字波形发生器提供输入信号，用内置ADC采集被测DAC的模拟输出并作计算和评价[1]。然而随着音频DAC的分辨率日益增加，拥有复杂电路系统的ATE需要能够采集更高精度的模拟信号，并且在整个测试过程中还需要将系统引入的影响进一步降低。这样新的难题就诞生了，因为随着ATE制造商进一步提高内置ADC的精度，设备的整个信号传输系统也需要很大的改善，势必会导致ATE的成本增加，其结果就是半导体生产过程中的测试成本大幅提高，芯片成本上升，这是人们不愿意看到的。

因此，本文基于混合信号测试的原理，将模拟滤波器应用到ATE测试当中，降低测试系统本身的影响，从而在现有的中端ATE上满足对高于内置ADC分辨率的高精度音频DAC芯片进行准确的测试评价。

2音频DAC的主要测试参数

和基本测试方法

2.1 音频DAC的主要测试参数

音频DAC有两个重要的动态参数：SNR(信号与噪声之比)、THD+N(总谐波失真及噪声)。业界通常比较关心这两个指标，因此本文重点对其进行讨论。

THD＋N：除基频分量外，所有谐波分量与噪声电平的和与基准输出电平之比[2]。

THD +N(THD +N)/S×100[%](1)

SNR：由基准信号产生的输出电平与播放数字无声信号所产生的噪声电平之比[2]。

SNR =20*log(S /N)[dB] (2)

2.2 基本测试方法

用ATE测试DAC动态特性的基本方法是：使用数字信号通道为芯片输入正弦变化的离散数字信号(频率通常为1 kHz)，通过采样时钟控制数字化采样器(Digitizer)即高精度的ADC(模数转换器)采集待测芯片输出的模拟信号并存到内置存储器中，然后对这些数据进行FFT变换，并根据各动态参数的定义作进一步的处理及分析。

3应用模拟滤波器的测试方案

3.1 设计思路

上述基本测试方法在当待测的音频DAC精度等于甚至高于ATE内置ADC时，测试系统自身的谐波及噪声的能量等同于甚至高于待测芯片，导致测试结果不准确。因此根据动态参数的定义以及音频设备的测试原理，应用模拟滤波器设计辅助的测试回路，从而降低ATE引入的影响，提高测试准确度，满足高精度音频DAC的量产测试需求。

● 由ATE为音频DAC提供必要的数字时钟信号和控制信号，以及电源和接地，构建出完整的测试环境。

● 由ATE的数字波形发生器产生频率为1kHz的正弦数字信号作为芯片输入。选用合适的1 kHz的陷波滤波器(Notch Filter)搭载在测试板上，介于芯片的模拟输出和ATE的数字化采样器之间。

● 如前面所提到的，由于待测芯片分辨率高于采样器，测试系统引入的噪声水平高于芯片本身，很难准确采集到芯片噪声成分，因此本文使用20 dB的放大器来将芯片输出的噪声水平放大以便采集，算法上消除该额外增益等处理实际上提高了ATE采样器的精度。

● 因为人耳能够分辨的声音频率在20-20 kHz范围，业界通常关心DAC输出模拟信号在20 kHz以下部分的性能，所以这里引入一个低噪声的20 kHz低通滤波器排除高频噪声影响[2]。

● 为了准确测试THD+N和SNR等参数，需要使用ATE采集芯片输出信号仅通过20 kHz低通滤波器后的信号成分，和经过陷波滤波器、放大器及20 kHz低通滤波器后的噪声与谐波成分，最后进行计算和分析。

3.2 详细设计

针对2.1中介绍的两种动态参数，在对音频DAC测试时主要是对基频信号成分、谐波加噪声成分以及无声信号进行测量，因此分别给出对应的测试回路。

测试基频信号成分和谐波加噪声时，由ATE的数字波形发生器为待测音频DAC提供频率为1 kHz幅度为0dB的正弦波，对于芯片的模拟输出，在测量基频成分的路径上仅设置一个20 kHz的低通滤波器；而在测量谐波加噪声的路径上设置1 kHz陷波滤波器、20 dB的放大器及20 kHz的低通滤波器。ATE的数字化采样器分别采集滤波后的信号，并通过计算得到基频成分和谐波加噪声，最后按照参数定义得到测试结果。

图5显示了测试总谐波失真加噪声时的测试回路。那么在测试信噪比的时候，基频信号成分的测量方法与上图中对应回路相同；只是在测量无声信号时，ATE的数字波形发生器需要提供零码信号，而在输出回路中将接入20 dB的放大器及20 kHz的低通滤波器。

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4仿真与实验

4.1 Matlab数学仿真

音频DAC测试方案主要是通过对谐波加噪声成分的处理，降低ATE自身精度不足的影响，从而正确地测量到待测芯片的性能。使用Matlab进行数学仿真讨论该方案，设定待测芯片理想的模拟输出信号分辨率为18比特，按照动态参数测试基本方法的要求设定采样频率及点数分别产生1 kHz的正弦波和零码信号，为这两组信号加入随机噪声，模拟实际的待测芯片输出信号；另外还模拟了16比特数字化采样器的噪声合成到最后的采集数据中；然后根据实际器件的参数指标对信号进行相应处理，最后分析并比较使用本测试方案前后的SNR和THD+N。

从频谱可以看到直接用数字化采样器采集到的数据，由于ATE的影响导致噪声水平较高，而应用滤波器的方案可以有效降低ATE的影响，使得测试数据更能反映出待测芯片的真实性能。下面从数值上分析该测试方案，见表1。

仿真结果显示，使用新的测试方案测量得到的参数较基本方法测得的值有了明显的提高，能够满足测试要求。

4.2 实验及结果分析

按照第3节中的方案，在某型号的中端ATE上实现对分辨率为18比特的音频DAC的测试，该芯片的量产测试标准为THD+N不得超过0.01284%，SNR不能低于85.15 dB。测试环境如表2所示。

根据测试方案，分别测量1 kHz正弦波的基频成分和谐波加噪声成分，从而推导出THD+N；测量零码信号，用于计算SNR。

THD+N与SNR的测试结果如下表3所示。

上面的结果中可以看出，应用滤波器的测试方案能够比较准确地测量到待测高精度音频DAC的动态参数，从而满足芯片的测试要求。

5总结

本文提出的测试方案应用了低成本的元器件(滤波器和放大器)，有效地降低了ATE系统的影响，从而在测试成本基本不变的情况下，使中端ATE满足了高于其自身分辨率的音频DAC的量产测试需求。

参考文献

[1] 熊剑.片上DAC在ATE上的测试. 实验科学与技术， 2005年， 第2期： 9－11．

[2] Larry Gaddy, Hajima Kawai. Dynamic Performance Testing of Digital Audio D/A Converters. Application Bulletin, BURR-BROWN.

[3] Dennis Bohn. Audio Specifications. RaneNote 145, Rane Corporation.

[4] Hanjun Jiang, Beatriz Olleta, Degang Chen and Randall L. Geiger. Testing High Resolution ADCs with Low Resolution/Accuracy Deterministic Dynamic Element Matched DACs. Department of Electrical and Computer Engineering, Iowa State University.

[5] Richard C. Cabot. Fundamentals of Modern Audio Measurement. Audio Precision, Inc.

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