陳恒江，仲海東，彭佳麗

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

現(xiàn)如今MCU應(yīng)用方案開發(fā)中對(duì)AD模塊的應(yīng)用越來越普遍，使用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換電路會(huì)增加開發(fā)成本，不利于方案的量產(chǎn)。MCU設(shè)計(jì)公司相繼在產(chǎn)品中集成AD模塊，幫助公司降低開發(fā)成本，更好地進(jìn)行方案推廣，從而提升自家MCU產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)MCU中AD模塊的積分線性誤差（INL）、微分線性誤差（DNL）參數(shù)的評(píng)測(cè)也越來越重要。

對(duì)于MCU AD模塊的INL、DNL[1]參數(shù)，使用專業(yè)的儀器進(jìn)行評(píng)測(cè)，雖然能測(cè)得準(zhǔn)確的參數(shù)，但是會(huì)大大增加MCU設(shè)計(jì)公司的成本。而使用傳統(tǒng)的手工測(cè)試，測(cè)試效率低，精度差，無法測(cè)得精準(zhǔn)的INL、DNL參數(shù)，且當(dāng)AD模塊的分辨率較高時(shí)，用此方法測(cè)試不切實(shí)際。MCU區(qū)別于單一功能的A/D轉(zhuǎn)換電路，其自身集成很多通用的外設(shè)資源，且可以編寫程序進(jìn)行控制。結(jié)合這些特點(diǎn)，對(duì)于MCU AD模塊的INL、DNL參數(shù)可以設(shè)計(jì)專用的測(cè)試臺(tái)進(jìn)行評(píng)測(cè)。

本文介紹了一種基于STM32F429的AD靜態(tài)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MCU AD模塊的INL、DNL參數(shù)的測(cè)試。經(jīng)驗(yàn)證，測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且測(cè)試成本低廉。

2 INL、DNL定義

2.1 基本定義

INL指單值數(shù)據(jù)誤差，對(duì)應(yīng)該點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)由于元器件及結(jié)構(gòu)造成的不能精確測(cè)量產(chǎn)生的誤差。

DNL指刻度間的差值，即對(duì)每個(gè)模擬數(shù)據(jù)按點(diǎn)量化產(chǎn)生的誤差。

LSB指最低有效位，對(duì)于AD模塊來說，量化后輸出的數(shù)字信號(hào)值都是以1 LSB的電壓步進(jìn)的。

2.2 DNL

數(shù)字輸出為i時(shí)，設(shè)使數(shù)字輸出從（i-1）變?yōu)閕時(shí)模擬值輸入為V[i-1]，使數(shù)字輸出從i變?yōu)椋╥+1）時(shí)模擬值輸入為Vi，則有定義數(shù)字輸出i的碼寬為：

這時(shí)應(yīng)注意當(dāng)i=0（即所有數(shù)字輸出為0）和i為最大值（即所有數(shù)字輸出為1）時(shí)，這兩個(gè)數(shù)字輸出i的碼寬為1 LSB。LSB的定義如下：

VFST是使數(shù)字輸出i從僅次于最大值的值變?yōu)樽畲笾禃r(shí)的模擬值，VZST是使數(shù)字輸出i從0變?yōu)?時(shí)的模擬值。

2.3 INL

首先介紹一下代碼中心（Coe Center），代碼中心是指當(dāng)數(shù)字輸出為i時(shí)，其二分之一碼寬對(duì)應(yīng)的模擬輸入值。其計(jì)算方法如下：

VFS是使數(shù)字輸出i=0的代碼中心，VZS是使數(shù)字輸出i為最大值時(shí)的代碼中心，VOFFSET是指失調(diào)電壓。

實(shí)際上線性誤差是微分線性誤差的累積，它還有一種算法：

已知INL[i]

2.4 斜升測(cè)試法

斜升測(cè)試法的電路如圖1所示。

圖1 斜升測(cè)試法硬件

在圖1中，由基準(zhǔn)電壓D/A產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓，使被測(cè)A/D輸出一數(shù)碼為i，然后由步進(jìn)D/A產(chǎn)生微小步進(jìn)電壓，直至被測(cè)A/D輸出的數(shù)碼進(jìn)一為（i+1），記下此時(shí)施加在被測(cè)A/D上的模擬電壓為V[i]，當(dāng)i為最大值時(shí)，V[i]為V[i-1]+1 LSB。

步進(jìn)D/A產(chǎn)生的微小步進(jìn)電壓應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被測(cè)A/D的LSB。在圖1中，一個(gè)微小步進(jìn)電壓與被測(cè)A/D的1 LSB的比例關(guān)系由步進(jìn)D/A的位數(shù)及參考電壓、被測(cè)A/D的位數(shù)及參考電壓、R、Rf決定。當(dāng)獲得所有的V[i]后，根據(jù)DNL及INL的定義就可計(jì)算出DNL及INL的值。

3 基本原理

本測(cè)試系統(tǒng)基于斜升測(cè)試法實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU AD模塊的INL、DNL參數(shù)測(cè)試。

當(dāng)前MCU內(nèi)部集成的AD模塊精度以10位、12位為主，因此，基本參考D/A和步進(jìn)D/A采用16位高精度D/A芯片DAC8562，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)MCU的AD模塊供電。待測(cè)MCU燒錄程序，將AD模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)碼通過串口輸出。

本測(cè)試系統(tǒng)分為硬件和軟件系統(tǒng)兩大部分，硬件系統(tǒng)以STM32F429為主控器，控制DAC8562輸出待測(cè)MCU所需的基準(zhǔn)參考D/A和步進(jìn)D/A，并獲取待測(cè)MCU的AD轉(zhuǎn)換數(shù)碼。

軟件系統(tǒng)基于MFC編程，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)交互。用戶可以根據(jù)需求設(shè)置基準(zhǔn)參考D/A和步進(jìn)D/A等參數(shù)，并對(duì)AD轉(zhuǎn)換數(shù)碼等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終計(jì)算出待測(cè)MCU AD模塊的INL、DNL參數(shù)。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件系統(tǒng)框架

AD靜態(tài)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件模塊包括主控模塊、供電模塊、DPS模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和顯示模塊。

圖2 AD靜態(tài)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 主控模塊

主控模塊選用STM32F429單片機(jī)作為主控器。STM32F429器件基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC內(nèi)核，工作頻率可達(dá)180 MHz[2-3]。Cortex-M4內(nèi)核帶有支持所有ARM?單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型的運(yùn)算單元FPU。該主控芯片集成了2 MB的Flash存儲(chǔ)器和256 kB的SRAM，還具備高達(dá)4 kB的后備SRAM，以及大量連至2條APB總線、2條AHB總線和1個(gè)32位多AHB總線矩陣的增強(qiáng)型I/O與外設(shè)。此外，STM32F429還帶有標(biāo)準(zhǔn)與高級(jí)通信接口。

4.3 供電模塊

供電模塊由三端穩(wěn)壓器組成，供電模塊如圖3所示。由精密電源提供+15 V電壓供給測(cè)試系統(tǒng)各模塊，主要包括經(jīng)過78M09和79M09分別將電壓調(diào)整至+9 V和-9 V給DPS模塊中的運(yùn)放供電，經(jīng)過78M05和（AMS1117-3.3）V將電壓調(diào)整至+3.3 V給主控模塊供電。

圖3 供電模塊

4.4 DPS模塊

DPS模塊基于DAC8562，搭配OPA548、OP07、AD620對(duì)待測(cè)MCU的AD模塊進(jìn)行供電，DPS模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 DPS模塊

DAC8562為兩路16位D/A芯片，STM32F429通過SPI協(xié)議控制DAC8562，經(jīng)過OPA548和OP07放大器，分別給待測(cè)MCU的VDD和AD模塊供電。AD620對(duì)整個(gè)供電電路的電流進(jìn)行監(jiān)控，防止出現(xiàn)大電流。

為了預(yù)先驗(yàn)證運(yùn)放的可靠性，采用Multisim對(duì)OP07放大電路進(jìn)行了仿真。

4.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊基于SN74LVC1T45DBV芯片，硬件框圖如圖5所示。鑒于每顆MCU的工作電壓有所不同，而主控器的工作電壓固定為3.3 V，為了保證主控器能夠穩(wěn)定獲取待測(cè)MCU發(fā)出的AD轉(zhuǎn)換數(shù)碼，經(jīng)過SN74LVC1T45DBV電平轉(zhuǎn)換芯片將傳輸給主控模塊的信號(hào)固定為3.3 V。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸模塊

4.6 顯示模塊

為了增加整個(gè)系統(tǒng)的可操作性和報(bào)錯(cuò)機(jī)制，測(cè)試系統(tǒng)搭配LCD顯示屏、蜂鳴器。LCD顯示屏用于提供用戶操作步驟，并顯示整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。蜂鳴器當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)遇到故障時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，用戶發(fā)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即關(guān)閉電源并查找原因。

5 軟件設(shè)計(jì)

為了增加系統(tǒng)的可操作性，設(shè)計(jì)專用的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。用戶可以通過軟件界面配置測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)，控制測(cè)試系統(tǒng)工作，并生成待測(cè)MCU AD模塊的INL、DNL參數(shù)excel文檔。

整個(gè)上位機(jī)軟件是基于MFC C++設(shè)計(jì)的，主要包括前端界面和后臺(tái)處理。接下來從MFC C++、前端界面、后臺(tái)工作流程、INL/DNL算法、excel文檔說明5個(gè)方面做具體介紹。

5.1 MFC C++

上位機(jī)軟件選用C++語言[4-5]開發(fā)，選擇C++語言開發(fā)的主要原因在于它是一種廣泛使用的面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)編程語言，支持的程序設(shè)計(jì)風(fēng)格包括過程化程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、制作圖表以及數(shù)據(jù)抽象[6-7]等。MFC[8]即微軟基礎(chǔ)類庫(kù)（Microsoft Foundation Classes），以C++類的形式封裝了Windows API，并包含一個(gè)應(yīng)用程序框架，大大減少了程序開發(fā)人員的工作量。

5.2 前端界面

整個(gè)上位機(jī)軟件操作界面包括“參數(shù)設(shè)置”、“控制面板”、“數(shù)據(jù)顯示”以及“狀態(tài)顯示”4個(gè)部分?！皡?shù)設(shè)置”包含待測(cè)電路供電電壓、待測(cè)電路AD基準(zhǔn)電壓、AD輸入通道起始電壓、AD輸入通道結(jié)束電壓以及AD輸入通道步進(jìn)電壓設(shè)置，參數(shù)配置完成后，點(diǎn)擊“應(yīng)用”或“取消”按鈕，上位機(jī)會(huì)將對(duì)應(yīng)的指令發(fā)送給下位機(jī)?！翱刂泼姘濉卑伴_始”、“暫?！币约啊皬?fù)位”按鈕，通過點(diǎn)擊這些按鈕，用戶可以控制測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)?！皵?shù)據(jù)顯示”實(shí)時(shí)顯示步進(jìn)D/A值、待測(cè)MCU的AD轉(zhuǎn)換數(shù)碼等，通過點(diǎn)擊“保存”按鈕，測(cè)試系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，并生成excel文檔?！盃顟B(tài)顯示”則顯示測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

5.3 后臺(tái)工作流程

上下位機(jī)之間采用USB[9]進(jìn)行通訊。上位機(jī)與下位機(jī)建立連接時(shí)調(diào)用windows API函數(shù)CreatFile()，若連接成功則返回一個(gè)有效句柄hDevice。上位機(jī)使用hDevice，通過DeviceIoControl()函數(shù)實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)函數(shù)間的數(shù)據(jù)交換[10]。上位機(jī)與主控間的數(shù)據(jù)交換原理如圖6、7所示。

圖6 上位機(jī)程序

圖7 主控程序

5.4 INL、DNL算法

為了測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方便，測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)算公式與理論公式存在一定差異。

步進(jìn)D/A數(shù)碼(NDA[i])對(duì)應(yīng)的步進(jìn)D/A電壓(VDA[i])見式（9）：

VDAall指D/A滿量程電壓，VDAOFFSET指D/A輸入失調(diào)電壓，NDAall指D/A滿量程對(duì)應(yīng)數(shù)碼。

A/D轉(zhuǎn)換數(shù)碼(NAD[i])對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電壓(VAD[i])見式（10）：

積分線性誤差見式（11）、（12）（測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算出的INL以1 LSB為單位）：

VADref指A/D基準(zhǔn)，bits指A/D分辨率。

微分線性誤差見式（13）、（14）（測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算出的DNL以1 LSB為單位）：

5.5 excel文檔

點(diǎn)擊“保存”按鈕后，后臺(tái)即會(huì)生成待測(cè)MCU AD模塊的INL、DNL參數(shù)excel文檔。整個(gè)文檔包括固有屬性數(shù)據(jù)、原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、INL、DNL數(shù)據(jù)。

5.5.1固有屬性數(shù)據(jù)

測(cè)試系統(tǒng)固有屬性數(shù)據(jù)如表1所示，D/A輸入失調(diào)電壓（VDAOFFSET）、D/A滿量程電壓（VDAall）、D/A滿量程對(duì)應(yīng)數(shù)碼（NDAall）這3個(gè)參數(shù)是測(cè)試系統(tǒng)的固有屬性，由系統(tǒng)內(nèi)的DAC8562的特性決定。A/D基準(zhǔn)（VADref）、A/D分辨率（bit）這2個(gè)參數(shù)由待測(cè)MCU AD模塊的特性決定。

表1 測(cè)試系統(tǒng)固有屬性數(shù)據(jù)

5.5.2原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示，步進(jìn)D/A數(shù)碼（NDA[i]）、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)碼（NAD[i]）是測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的原始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

表2 測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

5.5.3 INL、DNL數(shù)據(jù)

INL、DNL數(shù)據(jù)分為2個(gè)部分，包括數(shù)據(jù)列表以及參數(shù)圖表。表3是測(cè)試系統(tǒng)基于公式計(jì)算得到的INL、DNL數(shù)據(jù)列表。

表3 INL、DNL數(shù)據(jù)列表

圖8、9是基于計(jì)算得到的參數(shù)數(shù)據(jù)生成的INL、DNL參數(shù)圖表。

圖8 INL參數(shù)圖表

圖9 DNL參數(shù)圖表

6 測(cè)試驗(yàn)證

圖10、11、12是使用本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)3款MCU AD模塊多次評(píng)測(cè)得到的INL、DNL數(shù)據(jù)圖表。

圖10 MCU1的INL、DNL參數(shù)圖表

圖11 MCU2的INL、DNL參數(shù)圖表

圖12 MCU3的INL、DNL參數(shù)圖表

上述圖表均是對(duì)各款MCU取多顆電路測(cè)得的數(shù)據(jù)，同款MCU個(gè)體間測(cè)得的數(shù)據(jù)差異較小。通過圖表數(shù)據(jù)可以得到3款MCU的INL、DNL參數(shù)分別為-15～+15 LSB、-15～+15 LSB，-3～+6 LSB、-4～+5 LSB，-9～+2 LSB、-2～+2 LSB。從中可以進(jìn)一步分析出第一款MCU的INL、DNL均較差，參數(shù)波動(dòng)較為嚴(yán)重。第二款和第三款MCU的INL和DNL參數(shù)有類似特點(diǎn)：INL分布較差，在圖表末尾位置均有較大幅度的波動(dòng)，第二款參數(shù)分布優(yōu)于第三款；DNL分布較穩(wěn)定，第三款參數(shù)分布優(yōu)于第二款。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的AD靜態(tài)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)適用于MCU AD模塊的INL、DNL參數(shù)測(cè)試，支持用戶自定義待測(cè)電路的供電電壓，AD基準(zhǔn)電壓，AD輸入通道起始、結(jié)束、步進(jìn)電壓。測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，測(cè)試精度高且成本低廉。