80C196KB内部A/D转换器绝对误差失效分析

王建超，丁 宁（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳　110032）



80C196KB内部A/D转换器绝对误差失效分析

王建超，丁 宁
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

摘 要：80C196KB内部集成8路10位A/D转换器，它由一个8通道的模拟多路开关、一个采样/保持电路、一个10位逐次逼近型A/D转换器、A/D命令寄存器、A/D结果寄存器和控制逻辑等组成。介绍了通过对80C196KB内部A/D转换器测试，简化A/D器件测试，构建简单快速、通用性好的绝对误差测试系统，以Intel公司的80C196KB单片机与16位串行D/A转换器AD5541为例，介绍该类测试系统的构建与编程，并给出具体的编程思路，提出了一种软硬件结合的A/D转换器绝对误差失效分析方法，给出了测试系统结构图，并详细描述了软件实现过程。这种方法对于其它具有内部A/D转换器的单片机一样适用。

关键词：80C196KB；A/D转换器；D/A转换器；绝对误差；失效分析；测试系统

1 引 言

绝对误差是测量值对真实值偏离的绝对大小，如图1，A/D转换误差图所示，绝对误差是有正负，有方向的。对于A/D转换器而言，绝对误差是实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差。它直接反映了A/D转换器的转换特性，通常为使用者所关注，当用于军事工业、机械控制和信号采集时，绝对误差的测试变得尤为重要。

2 测试方法

测试基于80C196KB单片机展开，80C196KB内部集成了8路10位逐次逼近型A/D转换器［1］，日常使用中发现个别批次单片机内部A/D转换器存在实际转换值偏离理想值过大的情况，在对80C196KB进行失效分析时，就要对绝对误差进行测试。

测试方法是利用D/A转换器将0至5V的模拟电压进行量化，量化值再作为测试A/D转换器时的模拟电压输入值，A/D转换器输出的实际转换值再与A/D转换器的理想值进行比较，得出绝对误差值［2］。测试过程基于量化后分立的模拟输入和数字输出，所涉及的参数较传统绝对误差计算涉及的参数减少很多，更便于快速预估绝对误差变化趋势和了解A/D转换器性能，A/D绝对误差测试系统结构如图2所示。

图1 A/D转换误差

图2 A/D绝对误差测试系统结构

传统测试多采用手工方式调整转换器件的偏差，由于A/D、D/A转换器件的误差项较多，如零点偏移误差、增益误差、积分非线性误差、微分非线性误差、D/A转换器单调性误差、建立时间及尖峰干扰、A/D转换器量化误差等。对每一种误差的测试，都需要分别搭建不同的测试台用手动开关一次次设置数据，逐个记录测试结果，费时费力，容易出错，还不能获得完整的数据。另外，传统方法调试A/D、D/A转换器件时需要使用精密可调基准信号源和高精度测量仪器，一般技术人员往往得靠租借仪器并学习理解多项复杂参数，无形中增加了测试成本和周期。

因此，有必要对传统测试方法和测试系统进行简化，在保证一定测试准确度的前提下，达到降低测试成本，提高测试速度的目的。

3 绝对误差测试

为提高整个测试的准确度，选用16位高精度D/A转换器。编程将0至5V量化为0.25V一个电压步进，量化后的输入共计21个数字量，对应21个模拟输出电压点。

使用6位半精度数字电压表，分别对A/D转换器的电压基准源和D/A转换器的21个模拟输出电压点进行测量，完成对A/D转换器输入电压的量化和校准［3］。通过计算得出各量化点A/D转换器的理想值，编程对量化后的21个模拟电压进行A/D转换和实际转换值的采集，相对应的实际转换值和理想值之差即各量化点的绝对误差。利用曲线拟合，可得到A/D转换器绝对误差的变化趋势，便于评估A/D转换器绝对误差最大值可能出现的位置［4］。

4 测试系统特点

（1）对精密仪器的依赖性很少，仅在调试时需要一台6位半精度数字电压表。

（2）利用D/A、A/D转换的可逆性及PC机的普及性，使得测试系统的硬件结构非常简单，其系统复杂性体现在软件编程上，这使得测试过程可根据实际需要进行修改。

（3）测试系统所采用的参考D/A转换器、运算放大器只需考虑精度，而对速度可以放宽。

（4）测试系统自身的器件误差可通过软件修正。

（5）编程和编译软件选用TASKING C for 196，程序存储器选用华邦W27C512，D/A转换器选用AD5541，自动测试由80C196KB自动完成，测试结果由串口输出至PC［5］，测试结果如表1测试结果所示。

表1 测试结果

5 失效机理分析

80C196KB内部A/D转换器是10位逐次逼近型模数转换器，内部采用基于电阻串的结构。电阻串阵列由1024个单元电阻采用蛇形连接而成，如图3所示，其中输入参考信号连接在电阻串的一端，地连接在另外一端，通过电阻串分压完成A/D转换。

图3 电阻串结构

电阻串中单个电阻的阻值精度和其相互间的一致性直接影响A/D转换效果。本电路中的电阻是采用离子注入及退火工艺形成的，离子注入和退火的工艺条件如果控制不好［6］，就会在晶圆片的片间和片内出现电阻值精度偏差，造成绝对误差超出规范值要求。

6 结束语

通过典型事例，分析出了一种快速简便的测试评估A/D转换器绝对误差的方法。降低了测试成本、缩短了测试周期、减轻了测试压力、大大提高了故障定位和失效分析的效率。随着A/D转换器越来越广泛地应用于军事工业、机械控制和信号采集领域的电子系统中，这种快速、简便测试和评估A/D转换器绝对误差的方法，将在科研生产和调试中发挥重要作用。

参考文献：

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［3］梁合庆.MCS-96系列十六位单片微机实用手册［M］.北京：电子工业出版社，1995.HeQing Liang.MCS-96 series sixteen bit single chip microcomputer practical manual［M］.Beijing：Electronics Industry Press，1995.

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［5］程军.Intel 80C196单片机应用实践与C语言开发［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2000.Jun Cheng.Single chip microcomputer application and C language development［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2000.

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·微机网络与通信·

Failure Analysis of Absolute Error of A/D Converter of 80C196KB

Wang Jianchao，Ding Ning
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：An 8-channel 10-bit A/D converter is integrated in 80C196KB，which composed of an 8-channel multiplexer to select one of the eight input channels，the sample-and-hold circuit，the 10-bit successive approximation A/D converter，the AD_COMMAND register，the two-byte AD_RESULT register and the control logic.Based on Intel 80C196KB and 16-bit serial-input DACs AD5541，this paper introduces the absolute error test system of the A/D converter test of 80C196KB with simple and fast implementation from simplifying A/D converter test，puts forward a failure analysis method combining with software and hardware，and gives an implementation principle diagram.The procedure of implementation of the software is described in detail.This method is also suitable for other microcontroller integrated by A/D converter.

Key words：80C196KB；A/D Converter；D/A Converter；Absolute Error；Failure Analysis；Test System

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.008

中图分类号：TP

文献标识码：

文章编号：1002-2279（2016）02-0024-03

作者简介：王建超（1987-），男，辽宁沈阳人，助理工程师，主研方向：微电子。

收稿日期：2016-01-12