多種頻帶的混合信號(hào)測(cè)試解決方案
1 混合信號(hào)測(cè)試的特點(diǎn)和測(cè)試要求
隨著數(shù)字化浪潮的深入,具有混合信號(hào)功能的芯片越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中。通訊領(lǐng)域的MODEM(如ADSL),CODEC和飛速發(fā)展的手機(jī)芯片,視頻處理器領(lǐng)域的MPEG,DVD 芯片,都是具有混合信號(hào)功能的芯片,其特點(diǎn)是處理速度高、覆蓋的頻率范圍寬,芯片的升級(jí)換代周期日益縮短。這就要求測(cè)試系統(tǒng)具有更高的性能和更寬的頻帶范圍,而且需要靈活的架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的芯片測(cè)試需求,以便有效降低新器件的測(cè)試成本。此外,混合信號(hào)芯片種類繁多,各種具有混合信號(hào)的芯片已經(jīng)廣泛運(yùn)用到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域,而不同的應(yīng)用領(lǐng)域,其工作的頻率和所要求的精度也各不相同,這就要求在對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí),抓住其共性來(lái)提出測(cè)試方案。所有混合信號(hào)芯片的一個(gè)最基本的共性就是其內(nèi)部均具有AD/DA,一些混合信號(hào)芯片還包括PLL模塊。本文所論述的混合信號(hào)測(cè)試僅涉及到ADC和DAC通路。
一般,對(duì)于ADC通路,測(cè)試系統(tǒng)需要通過(guò)波形發(fā)生器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào),同時(shí),通過(guò)自身的數(shù)字通道采集ADC的輸出信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算以獲得測(cè)試結(jié)果;對(duì)于DAC通路,測(cè)試系統(tǒng)需要通過(guò)數(shù)字通道產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào),同時(shí),通過(guò)自身的波形采樣器采集DAC的輸出信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算獲得測(cè)試結(jié)果。但無(wú)論對(duì)于 ADC還是DAC測(cè)試,都要求系統(tǒng)的模擬模塊,即波形發(fā)生器和波形采樣器,與系統(tǒng)的數(shù)字通道同步,才能確保測(cè)試的準(zhǔn)確性。此外,系統(tǒng)還需提供豐富的內(nèi)置函數(shù),迅速完成對(duì)采集信號(hào)的運(yùn)算,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC/DAC的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試。因此,在對(duì)混合信號(hào)芯片的測(cè)試過(guò)程中,一般需要數(shù)字通道、波形發(fā)生器、波形分析器、直流電源、時(shí)隙分析器、系統(tǒng)時(shí)鐘等模塊,其中波形發(fā)生器和波形分析器是決定系統(tǒng)速度和精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié),本文分別在這兩個(gè)方面做較詳盡的論述。
2 傳統(tǒng)測(cè)試方法面臨的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)的基于純軟件的測(cè)試方法已經(jīng)難于應(yīng)對(duì)新型混合信號(hào)器件的測(cè)試需求,對(duì)于混合信號(hào)器件,通常要通過(guò)測(cè)試其互調(diào)失真(IMD)、多音頻功率比率 (MTPR)等參數(shù),以獲得器件的非線性特性,測(cè)試這些參數(shù),需要采集大量的數(shù)據(jù),并進(jìn)行大量的運(yùn)算,傳統(tǒng)的測(cè)試儀器通常采用基于軟件的方法在主機(jī)中實(shí)現(xiàn),其缺點(diǎn)在于,一方面限制了運(yùn)算速度的提高;另一方面,主機(jī)和測(cè)試臺(tái)之間存在大量的數(shù)據(jù)交互,容易造成總線沖突,因而測(cè)試效率不高。針對(duì)這個(gè)情況,一種切實(shí)可行的方案是在測(cè)試系統(tǒng)前端建立本地儀器子系統(tǒng),將原來(lái)基于軟件的信號(hào)處理庫(kù)移植到本地處理器中來(lái)完成,儀器子系統(tǒng)集成信號(hào)產(chǎn)生和采集的功能,并采用高速DSP進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算,以減少主機(jī)處理的時(shí)間,消除總線沖突。而且前端子系統(tǒng)與被測(cè)器件(DUT)間結(jié)構(gòu)緊湊,可以取得很高的時(shí)鐘頻率,便于靈活地處理多種測(cè)試問(wèn)題,例如,在傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中,要產(chǎn)生具有ADSL測(cè)試所需的動(dòng)態(tài)范圍的音頻很困難,現(xiàn)在,使用基于DSP的任意波形發(fā)生器,這一任務(wù)就變得非常容易。這里最新研制的BC3192V50數(shù)?;旌霞呻娐窚y(cè)試系統(tǒng)基于VXI總線設(shè)計(jì),其最大優(yōu)點(diǎn)是軟件和硬件都具有開放性和標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)允許開發(fā)新的模塊和子系統(tǒng)來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的測(cè)試能力,以滿足高速發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)的測(cè)試需求,針對(duì)多頻帶混合信號(hào)IC的測(cè)試需要,利用基于DSP的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多頻帶混合信號(hào)芯片測(cè)試。
3 國(guó)內(nèi)外混合信號(hào)測(cè)試現(xiàn)狀
近幾年,國(guó)內(nèi)外的測(cè)試行業(yè)都緊隨著IT技術(shù)的發(fā)展步伐,不斷地研究新器件的測(cè)試方法,開發(fā)、更新測(cè)試儀器,以適應(yīng)市場(chǎng)的需要。
由于國(guó)外對(duì)IC測(cè)試重視比較早,測(cè)試儀器的開發(fā)規(guī)模大、技術(shù)成熟,典型的如Credence公司的ASL系列大型測(cè)試系統(tǒng),采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),使IC制造商可以在單一平臺(tái)上測(cè)試所有用于消費(fèi)類音頻和視頻應(yīng)用的器件。我國(guó)在IC測(cè)試方面起步比較晚,雖然也研制出一些大型的具有混合IC測(cè)試功能的測(cè)試系統(tǒng),但對(duì)多種頻率范圍的混合信號(hào)芯片測(cè)試還沒(méi)有實(shí)用化。此外,大型的測(cè)試儀器尤其是進(jìn)口的測(cè)試儀器,價(jià)格非常昂貴,測(cè)試程序的開發(fā)和儀器的維護(hù)、維修費(fèi)用都非常高,目前國(guó)內(nèi)的測(cè)試儀市場(chǎng)主要集中于中、小型測(cè)試儀,因此,通過(guò)基于數(shù)字信號(hào)處理的儀器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻帶混合信號(hào)芯片的測(cè)試很有意義,其市場(chǎng)前景也非常好。目前,混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向,一個(gè)是要提高對(duì)高速和多頻帶IC的測(cè)試能力和測(cè)試效率,一個(gè)是要盡可能降低測(cè)試成本,因此,現(xiàn)今的測(cè)試系統(tǒng)必須以靈活的架構(gòu)來(lái)滿足多種混合信號(hào)測(cè)試的需求。業(yè)界主流的做法是將測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)一步模塊化,通過(guò)儀器子系統(tǒng)來(lái)獨(dú)立地處理信號(hào)和輸出測(cè)試結(jié)果,并在儀器子系統(tǒng)中集成高速信號(hào)處理模塊。此外,為了提高測(cè)試效率,合理利用資源,利用同一測(cè)試系統(tǒng)做多芯片并行測(cè)試也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
4 基于DSP的混合信號(hào)測(cè)試方案
針對(duì)當(dāng)今混合信號(hào)的測(cè)試需求和國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)情況,提出一種混合信號(hào)測(cè)試的低成本解決方案,即借鑒目前國(guó)際上主流混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu),緊密結(jié)合中小型測(cè)試儀器的特點(diǎn),充分利用BC3192測(cè)試系統(tǒng)的開放性和標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu),采用新型高速DSP來(lái)提升多頻帶混合信號(hào)芯片的測(cè)試能力。
本文實(shí)現(xiàn)方案是以任意波形發(fā)生器(ArbitraryWave Generator,AWG)和音頻/視頻數(shù)字化儀(Audio/Video Digitalizer,AVD)的組合來(lái)應(yīng)對(duì)多種頻帶的混合信號(hào)芯片測(cè)試。AVD和AWG的組合可以滿足波形發(fā)生、操作和分析的需要,內(nèi)部集成高性能 DSP,能夠?yàn)闇y(cè)試和分析提供完整的DSP庫(kù)函數(shù),因而能夠滿足混合信號(hào)的多種測(cè)試需要。
任意波形發(fā)生器如圖l所示,可以以單端和差分模式工作,具有完整的波形發(fā)生能力,可以產(chǎn)生可修改的復(fù)雜波形,具有激勵(lì)被測(cè)器件所需的定時(shí)功能。 AWG作為VXI儀器系統(tǒng)的一個(gè)模塊,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口模塊與資源控制器通信,當(dāng)需要產(chǎn)生激勵(lì)波形時(shí),資源控制器發(fā)送命令和參數(shù)到AWG模塊,AWG模塊采用高速DSP芯片作為主處理器,DSP與波形定時(shí)器和控制邏輯一起完成任意波形的產(chǎn)生,從而提供給被測(cè)器件(DUT)所需的激勵(lì)波形。由于被測(cè)芯片種類繁多,頻帶范圍很寬,對(duì)于不同的被測(cè)芯片,采用的定時(shí)器和控制邏輯都不盡相同,而且,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,頻率合成技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域,采用數(shù)字頻率合成(DDS)專用芯片使得電路更加簡(jiǎn)潔可靠,因此,任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)也更加容易,其抗干擾能力和精度都更加容易保證。
音頻/視頻數(shù)字化儀如圖2所示,主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換和調(diào)理電路、波形存儲(chǔ)器、DSP、控制邏輯和接口電路等組成。AVD可以設(shè)計(jì)多個(gè)通道,每個(gè)通道擁有獨(dú)立的硬件資源,可以捕獲各種頻帶的被測(cè)信號(hào)。同樣,AVD也是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的VXI儀器模塊,也在資源控制器的控制下與AWG及其他模塊一起完成測(cè)試任務(wù)。AVD模塊中包含一個(gè)高速DSP芯片作為核心處理器,一方面,DSP中植入了大量的信號(hào)處理庫(kù)函數(shù),諸如FFT、數(shù)字濾波器等任務(wù)都可在DSP中完成;另一方面,一些測(cè)試算法也可以移植到DSP中來(lái)做,因此,在AVD模塊內(nèi)部就可以得到一些測(cè)試數(shù)據(jù)的中間結(jié)果,使得傳送到主機(jī)的數(shù)據(jù)量大大減少,VXI總線上的數(shù)據(jù)被大量分流,同時(shí),主機(jī)的計(jì)算量也被DSP芯片分擔(dān),這對(duì)于縮短測(cè)試時(shí)間有重要作用。在對(duì)大規(guī)?;旌闲盘?hào)芯片進(jìn)行多片并測(cè)時(shí),采用多片DSP并行的結(jié)構(gòu),在AVD模塊內(nèi)部完成大量的信號(hào)處理和測(cè)試算法,能更加顯著地提高測(cè)試效率。
本方案在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的方法,因此架構(gòu)靈活、易于升級(jí)。首先,由任意波形發(fā)生器(AWG)和音頻/視頻數(shù)字化儀(AVD) 為主要模塊構(gòu)成的多頻帶混合信號(hào)儀器系統(tǒng)具有比較完善的功能,能獨(dú)立完成混合信號(hào)測(cè)試的大部分工作,對(duì)于不同頻帶范圍的混合信號(hào)芯片測(cè)試,可以用不同的 AWG和AVD組合完成。其次,由于結(jié)構(gòu)緊湊,使得信號(hào)采集和處理能在測(cè)試臺(tái)本地完成,提升了信號(hào)處理能力,消除了總線沖突。再次,這種靈活的架構(gòu)方便用戶將各個(gè)模塊作為可選件來(lái)配置測(cè)試系統(tǒng),有效地降低了測(cè)試成本。另外,本方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)的移植和優(yōu)化,提升了信號(hào)處理能力,為多芯片并行測(cè)試提供了條件。
5 結(jié)語(yǔ)
IC技術(shù)的發(fā)展,一方面提供了大量的功能強(qiáng)大的芯片供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選用,目前高性價(jià)比的DSP芯片不僅迎合了當(dāng)今數(shù)字化浪潮,同時(shí)為設(shè)計(jì)者提供了多種低成本的選擇;另一方面,大量新型芯片的出現(xiàn),給芯片測(cè)試帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),作為電子產(chǎn)品數(shù)字化核心之一的混合信號(hào)芯片成為芯片測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)測(cè)試設(shè)備制造業(yè)的現(xiàn)實(shí)情況,提出了一種混合信號(hào)測(cè)試的低成本解決方案,本文方案充分利用現(xiàn)有條件,遵循標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)思路,解決了多種頻帶的混合信號(hào)測(cè)試問(wèn)題,是國(guó)內(nèi)現(xiàn)實(shí)情況下測(cè)試設(shè)備制造業(yè)的一個(gè)探索,相信會(huì)隨著新技術(shù)的出現(xiàn)不斷發(fā)展和完善。