【2021集创赛】NI杯三等奖：基于IECUBE-3100的高精度数模转换器设计及自动化测试方案

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杯赛题目：DAC芯片测试
参赛要求：本科生组
赛题内容：
NIC公司最近正在竞争一个8bit DAC芯片设计的订单机会，需要按照甲方需求尽快提交芯片的设计和测试方案参加评审会。你们作为NIC公司的芯片研发和测试团队，承担了这个任务，需要在2021年8月31日以前完成芯片的设计和测试方案，方案的好坏直接决定了甲方是否会和NIC公司合作。

甲方对于芯片的设计和测试方案要求如下：

1. DAC芯片架构为R-2R，分辨率为8bit
2. DAC芯片的接口和封装形式可自行设计
3. 要求基于Multisim实现该DAC芯片的电路原理仿真（基于分立器件的电路原理功能性仿真）
4. 要求基于Ultiboard实现该DAC芯片的测试接口板设计
5. 要求基于IECUBE-3100完成该DAC芯片的自动化测试方案设计，测试项需要尽量多的覆盖该DAC芯片的静态参数指标和动态参数指标测试（至少覆盖：INL&DNL，THD，SFDR，SINAD，SNR），并给出每种指标的测试原理和基于制定测试平台的实现方式
6. 要求提交该DAC芯片的Multisim仿真源文件、Ultiboard设计源文件和Gerber文件以及测试方案详细设计文档

团队介绍

参赛单位：湖南工业大学
队伍名称：会飞的特斯拉
参赛人员：张佳栋 汪敏琪 寻彬彬
总决赛奖项：三等奖

1.项目简介

1.1 DAC设计

本数模转换器由开关电路、滤波电路、R-2R电阻网三部分组成，控制信号通过控制开关电路的开通与关断，进而控制基准电压施加在不同的R-2R电阻网接口上，来决定电阻网最后的输出电压，最后通过二阶低通有源滤波电路对输出信号进行滤波，使其输出波形更加光滑，提高了输出波形的精度。为了避免输出非光滑信号时由于滤波电路本身的特性而产生失真，本设计加入了一个拨动开关SW1，控制滤波电路与电阻网之间的连接与断开。以消除此种影响。
开关电路是由八个nMOS与八个pMOS构成八个CMOS开关。每个CMOS开关输出端连接一个运放，其作用是防止八个CMOS开关电路相互干扰，导致输出信号失真。同时每个运放的输出管脚与反向输入端管脚短接，产生电压跟随的作用，不会影响开关电路的输出。
本数模转换器输出的正弦波形如下图所示。

1.2 测试方案

1.2.1 IECUBE-3100介绍

IECUBE-3100是一个面向半导体测试教学的实训平台，Ready to teach的完整教学方案产品，包含教学课件、实验指导书和实践实验平台。课程内容及实验设置完全来源于实际工业应用，适合半导体测试基础教学、实训及竞赛等应用场合。
IECUBE-3100的可用资源包括可编程直流电源（0V_6V、0V25V、-25V~0V）、双通道示波器、逻辑分析仪、数字I/0、波形发生器、通用PCI DUT接口、面包板、数字万用表。支持USB、WIFI连接。可用LabVIEW\C\Python来进行开发。

1.2.2 测试流程图

1.2.3 DNL / INL测试

差分非线性(DNL)是指DAC局部（细节）的非线性程度，可以这样理解，在理想的情形下，在数字编码中的1LSB变化对应于输出模拟信号的严格的1个V_LSB变化。DAC从一个模拟电压输出转换到下一个模拟电压输出应该有严格的1个V_LSB模拟输入的变化。在模拟信号对应于1个V_LSB数字变化大于或小于1个V_LSB的地方，被称为DNL误差。

通过配置3100的数字IO产生8位二进制数字锯齿信号，将信号接入接口板中的D0-D7接口，其中D7为最高位，D0为最低位，并将基准电压通过接口板中的REF接口接入，供电电压通过接口板中的VDD接口接入，数字锯齿信号经过数模转换器转换后得到输出波形，此时将SW1拨至断开滤波电路位置，3100的示波器通过Vo2采集到数模转换器的输出信号并传入到LabVIEW中。通过设置采样点和采样时间来获得一个周期的完整的锯齿信号，为了减少偶然误差，将采集频率设置为数字IO输出频率的十倍，即每一个数据点采集十次取平均值，即为该数据点的模拟电压，通过LabVIEW编程快速将256个点的模拟电压测出，从第二个数据点开始每个数据点的输出电压与前一个数据点的输出电压之差减Vlsb后再除Vlsb所得的最大值即为该数模转换器的DNL。DNL积分后得到INL。

1.2.4 THD\SINAD\SFDR\SNR测试

1.2.4.1 测试步骤

1. 电源施加合适的电源电压和参考电压，输出端接负载电阻；
2. 数字码型发生器给待测DAC施加规定幅度和规定频率fs的数字正弦信号；
3. 待DAC工作稳定后，通过对输出波形进行FFT变换得到输出正弦波形的功率谱，分别按定义计算出基波信号分量Vs、各次谐波信号分量Vi、噪声信号分量Vn、最大杂波分量Vz。经过FFT变换后，得到的图像如下图。
   

1.2.4.2 信号分量测量

通过配置3100的数字IO产生8位二进制数字正弦信号，将信号接入接口板中的D0-D7接口，其中D7为最高位，D0为最低位，并将基准电压通过接口板中的REF接口接入，供电电压通过接口板中的VDD接口接入，数字正弦信号经过数模转换器转换后得到输出波形，此时将SW1拨至接入滤波电路的相应位置，3100的示波器通过Vo1采集到数模转换器的输出信号并传入到LabVIEW中。对采集到的波形通过进行谐波失真分析，采集到波形的基波电平和2-10次谐波信号分量

输出信号进行偏移和缩放后进行谐波失真分析得到信号的基频，同时通过输出信号经过FFT变换得到信号的功率谱。

进行谐波失真分析将高级搜索范围设置为基频的倍数，循环10次，可以得到采集波形的基波信号分量V_s和2-10次谐波信号分量V_i。

在各次谐波信号分量中判断最大值，得到最大杂波分量V_z。将输出信号再一次进行谐波失真分析，设置最高谐波为1，高级搜索范围为基波的倍数，循环10次，进而得到采集波形去除基波和2-10次谐波之后的波形，并将这个波形传输到滤波器模块对基频倍数附近很小范围进行的频率进行滤波，最后得到调制后的信号，调制信号电平标准差即为噪声信号分量V_N。

1.2.4.3 参数计算

测量得到输出模拟信号的基波信号分量V_s、各次谐波信号分量V_i、最大杂波分量V_z、噪声信号分量V_N，在LabVIEW中的公式节点中插入各项参数的计算公式，即可得到数模转换器的动态参数。具体公式如下

2.软件界面介绍

2.1 动态参数测试界面

2.2 静态参数测试界面

本软件分为静态测试和动态测试两个模块，测试时，在左侧列表中选择IECUBE-3100仪器、配置直流电源、数字I/O和示波器。仪器配置好后点击“start inport data ”使数据导入软件，此时“inported date”界面中显示输出信号的各项参数，然后点击“start”开始测试模拟信号的静态参数和动态参数，“Test Results”显示各项测试结果。

3.参赛体会

3.1 参赛感受

在比赛过程中，为了解决遇到的问题，不断在集成电路测试领域进行探索，我们的软硬件设计能力在学习过程中得到很大提升。
此次大赛作为集成电路行业顶尖的比赛，云集了全国250多家院校，3000多支队伍的参加，经过初赛、分区赛，NI杯共有24支队伍进入总决赛，能与这么多优秀的大学生进行同台竞技，让我们开拓了视野，将目光不止局限于学校。通过比赛，也使我们更加了解了集成电路领域的发展，提升了自己的能力。非常感谢赛事组委会的老师和工作人员对此次大赛的辛苦付出，让我们可以有这样一个充分展示自己的平台。

3.2 后续计划

• 本数模转换器将会进一步优化，使其达到更高的精度。
• 自动化测试软件后续将会精简算法，使测试达到更高的速度
• 后续将会丰富软件的功能，使其可以测得更多的参数，可以更加全面的了解器件性能。

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