新一年的集創賽已如火如荼的展開~

為了讓大家更多的了解該賽事，小編整理了2021年的優秀作品供學習分享

在每周一為大家分享獲獎作品，記得來看連載喲 ~

杯賽題目：DAC芯片測試

參賽要求：本科生組

賽題內容：

NIC公司最近正在競爭一個8bit DAC芯片設計的訂單機會，需要按照甲方需求盡快提交芯片的設計和測試方案參加評審會。你們作為NIC公司的芯片研發和測試團隊，承擔了這個任務，需要在2021年8月31日以前完成芯片的設計和測試方案，方案的好壞直接決定了甲方是否會和NIC公司合作。

甲方對于芯片的設計和測試方案要求如下：

1) DAC芯片架構為R-2R，分辨率為8bit

2) DAC芯片的接口和封裝形式可自行設計

3) 要求基于Multisim實現該DAC芯片的電路原理仿真(基于分立器件的電路原理功能性仿真)

4) 要求基于Ultiboard實現該DAC芯片的測試接口板設計

5) 要求基于IECUBE-3100完成該DAC芯片的自動化測試方案設計，測試項需要盡量多的覆蓋該DAC芯片的靜態參數指標和動態參數指標測試(至少覆蓋：INL&DNL，THD，SFDR，SINAD，SNR)，并給出每種指標的測試原理和基于制定測試平臺的實現方式

6) 要求提交該DAC芯片的Multisim仿真源文件、Ultiboard設計源文件和Gerber文件以及測試方案詳細設計文檔

團隊介紹

參賽單位：湖南工業大學

隊伍名稱：會飛的特斯拉

參賽人員：張佳棟 汪敏琪 尋彬彬

總決賽獎項：三等獎

1.項目簡介

1.1 DAC設計

本數模轉換器由開關電路、濾波電路、R-2R電阻網三部分組成，控制信號通過控制開關電路的開通與關斷，進而控制基準電壓施加在不同的R-2R電阻網接口上，來決定電阻網最后的輸出電壓，最后通過二階低通有源濾波電路對輸出信號進行濾波，使其輸出波形更加光滑，提高了輸出波形的精度。為了避免輸出非光滑信號時由于濾波電路本身的特性而產生失真，本設計加入了一個撥動開關SW1，控制濾波電路與電阻網之間的連接與斷開。以消除此種影響。

開關電路是由八個nMOS與八個pMOS構成八個CMOS開關。每個CMOS開關輸出端連接一個運放，其作用是防止八個CMOS開關電路相互干擾，導致輸出信號失真。同時每個運放的輸出管腳與反向輸入端管腳短接，產生電壓跟隨的作用，不會影響開關電路的輸出。

本數模轉換器輸出的正弦波形如下圖所示。

1.2 測試方案

1.2.1 IECUBE-3100介紹

IECUBE-3100是一個面向半導體測試教學的實訓平臺，Ready to teach的完整教學方案產品，包含教學課件、實驗指導書和實踐實驗平臺。課程內容及實驗設置完全來源于實際工業應用，適合半導體測試基礎教學、實訓及競賽等應用場合。

IECUBE-3100的可用資源包括可編程直流電源(0V~6V、0V~25V、-25V~0V)、雙通道示波器、邏輯分析儀、數字I/0、波形發生器、通用PCI DUT接口、面包板、數字萬用表。支持USB、WIFI連接。可用LabVIEWCPython來進行開發。

1.2.2 測試流程圖

1.2.3 DNL / INL測試

差分非線性(DNL)是指DAC局部(細節)的非線性程度，可以這樣理解，在理想的情形下，在數字編碼中的1LSB變化對應于輸出模擬信號的嚴格的1個V_LSB變化。DAC從一個模擬電壓輸出轉換到下一個模擬電壓輸出應該有嚴格的1個V_LSB模擬輸入的變化。在模擬信號對應于1個V_LSB數字變化大于或小于1個V_LSB的地方，被稱為DNL誤差。

通過配置3100的數字IO產生8位二進制數字鋸齒信號，將信號接入接口板中的D0-D7接口，其中D7為最高位，D0為最低位，并將基準電壓通過接口板中的REF接口接入，供電電壓通過接口板中的VDD接口接入，數字鋸齒信號經過數模轉換器轉換后得到輸出波形，此時將SW1撥至斷開濾波電路位置，3100的示波器通過Vo2采集到數模轉換器的輸出信號并傳入到LabVIEW中。通過設置采樣點和采樣時間來獲得一個周期的完整的鋸齒信號，為了減少偶然誤差，將采集頻率設置為數字IO輸出頻率的十倍，即每一個數據點采集十次取平均值，即為該數據點的模擬電壓，通過LabVIEW編程快速將256個點的模擬電壓測出，從第二個數據點開始每個數據點的輸出電壓與前一個數據點的輸出電壓之差減Vlsb后再除Vlsb所得的最大值即為該數模轉換器的DNL。DNL積分后得到INL。

1.2.4 THDSINADSFDRSNR測試

1.2.4.1 測試步驟

電源施加合適的電源電壓和參考電壓，輸出端接負載電阻;

數字碼型發生器給待測DAC施加規定幅度和規定頻率fs的數字正弦信號;

待DAC工作穩定后，通過對輸出波形進行FFT變換得到輸出正弦波形的功率譜，分別按定義計算出基波信號分量Vs、各次諧波信號分量Vi、噪聲信號分量Vn、最大雜波分量Vz。經過FFT變換后，得到的圖像如下圖。

1.2.4.2 信號分量測量

通過配置3100的數字IO產生8位二進制數字正弦信號，將信號接入接口板中的D0-D7接口，其中D7為最高位，D0為最低位，并將基準電壓通過接口板中的REF接口接入，供電電壓通過接口板中的VDD接口接入，數字正弦信號經過數模轉換器轉換后得到輸出波形，此時將SW1撥至接入濾波電路的相應位置，3100的示波器通過Vo1采集到數模轉換器的輸出信號并傳入到LabVIEW中。對采集到的波形通過進行諧波失真分析，采集到波形的基波電平和2-10次諧波信號分量

輸出信號進行偏移和縮放后進行諧波失真分析得到信號的基頻，同時通過輸出信號經過FFT變換得到信號的功率譜。

進行諧波失真分析將高級搜索范圍設置為基頻的倍數，循環10次，可以得到采集波形的基波信號分量V_s和2-10次諧波信號分量V_i。

在各次諧波信號分量中判斷最大值，得到最大雜波分量V_z。將輸出信號再一次進行諧波失真分析，設置最高諧波為1，高級搜索范圍為基波的倍數，循環10次，進而得到采集波形去除基波和2-10次諧波之后的波形，并將這個波形傳輸到濾波器模塊對基頻倍數附近很小范圍進行的頻率進行濾波，最后得到調制后的信號，調制信號電平標準差即為噪聲信號分量V_N。

1.2.4.3 參數計算

測量得到輸出模擬信號的基波信號分量V_s、各次諧波信號分量V_i、最大雜波分量V_z、噪聲信號分量V_N，在LabVIEW中的公式節點中插入各項參數的計算公式，即可得到數模轉換器的動態參數。具體公式如下

2.軟件界面介紹

2.1 動態參數測試界面

2.2 靜態參數測試界面

本軟件分為靜態測試和動態測試兩個模塊，測試時，在左側列表中選擇IECUBE-3100儀器、配置直流電源、數字I/O和示波器。儀器配置好后點擊“start inport data ”使數據導入軟件，此時“inported date”界面中顯示輸出信號的各項參數，然后點擊“start”開始測試模擬信號的靜態參數和動態參數，“Test Results”顯示各項測試結果。

3.參賽體會

3.1 參賽感受

在比賽過程中，為了解決遇到的問題，不斷在集成電路測試領域進行探索，我們的軟硬件設計能力在學習過程中得到很大提升。

此次大賽作為集成電路行業頂尖的比賽，云集了全國250多家院校，3000多支隊伍的參加，經過初賽、分區賽，NI杯共有24支隊伍進入總決賽，能與這么多優秀的大學生進行同臺競技，讓我們開拓了視野，將目光不止局限于學校。通過比賽，也使我們更加了解了集成電路領域的發展，提升了自己的能力。非常感謝賽事組委會的老師和工作人員對此次大賽的辛苦付出，讓我們可以有這樣一個充分展示自己的平臺。

3.2 后續計劃

本數模轉換器將會進一步優化，使其達到更高的精度。

自動化測試軟件后續將會精簡算法，使測試達到更高的速度

后續將會豐富軟件的功能，使其可以測得更多的參數，可以更加全面的了解器件性能。

　　審核編輯：湯梓紅