[導讀]隨著數字化浪潮的深入，具有混合信號功能的芯片越來越多地出現在人們的生活中。通訊領域的MODEM(如ADSL)，CODEC和飛速發(fā)展的手機芯片，視頻處理器領域的MPEG，DVD 芯片，都是具有混合信號功能的芯片，其特點是處理速度高、覆蓋的頻率范圍寬，芯片的升級換代周期日益縮短。這就要求測試系統具有更高的性能和更寬的頻帶范圍，而且需要靈活的架構來應對不斷升級的芯片測試需求，以便有效降低新器件的測試成本。此外，混合信號芯片種類繁多，各種具有混合信號的芯片已經廣泛運用到生產和生活的各個領域，而不同的應用領域，其工作的頻率和所要求的精度也各不相同，這就要求在對混合信號進行測試時，抓住其共性來提出測試方案。所有混合信號芯片的一個最基本的共性就是其內部均具有AD／DA，一些混合信號芯片還包括PLL模塊。本文所論述的混合信號測試僅涉及到ADC和DAC通路。
1 混合信號測試的特點和測試要求
隨著數字化浪潮的深入，具有混合信號功能的芯片越來越多地出現在人們的生活中。通訊領域的MODEM(如ADSL)，CODEC和飛速發(fā)展的手機芯片，視頻處理器領域的MPEG，DVD 芯片，都是具有混合信號功能的芯片，其特點是處理速度高、覆蓋的頻率范圍寬，芯片的升級換代周期日益縮短。這就要求測試系統具有更高的性能和更寬的頻帶范圍，而且需要靈活的架構來應對不斷升級的芯片測試需求，以便有效降低新器件的測試成本。此外，混合信號芯片種類繁多，各種具有混合信號的芯片已經廣泛運用到生產和生活的各個領域，而不同的應用領域，其工作的頻率和所要求的精度也各不相同，這就要求在對混合信號進行測試時，抓住其共性來提出測試方案。所有混合信號芯片的一個最基本的共性就是其內部均具有AD／DA，一些混合信號芯片還包括PLL模塊。本文所論述的混合信號測試僅涉及到ADC和DAC通路。
一般，對于ADC通路，測試系統需要通過波形發(fā)生器產生適當的激勵信號，同時，通過自身的數字通道采集ADC的輸出信號并進行運算以獲得測試結果；對于DAC通路，測試系統需要通過數字通道產生適當的激勵信號，同時，通過自身的波形采樣器采集DAC的輸出信號并進行運算獲得測試結果。但無論對于 ADC還是DAC測試，都要求系統的模擬模塊，即波形發(fā)生器和波形采樣器，與系統的數字通道同步，才能確保測試的準確性。此外，系統還需提供豐富的內置函數，迅速完成對采集信號的運算，才能實現對ADC／DAC的靜態(tài)和動態(tài)特性的測試。因此，在對混合信號芯片的測試過程中，一般需要數字通道、波形發(fā)生器、波形分析器、直流電源、時隙分析器、系統時鐘等模塊，其中波形發(fā)生器和波形分析器是決定系統速度和精度的關鍵環(huán)節(jié)，本文分別在這兩個方面做較詳盡的論述。
2 傳統測試方法面臨的挑戰(zhàn)
傳統的基于純軟件的測試方法已經難于應對新型混合信號器件的測試需求，對于混合信號器件，通常要通過測試其互調失真(IMD)、多音頻功率比率 (MTPR)等參數，以獲得器件的非線性特性，測試這些參數，需要采集大量的數據，并進行大量的運算，傳統的測試儀器通常采用基于軟件的方法在主機中實現，其缺點在于，一方面限制了運算速度的提高；另一方面，主機和測試臺之間存在大量的數據交互，容易造成總線沖突，因而測試效率不高。針對這個情況，一種切實可行的方案是在測試系統前端建立本地儀器子系統，將原來基于軟件的信號處理庫移植到本地處理器中來完成，儀器子系統集成信號產生和采集的功能，并采用高速DSP進行大量的數學運算，以減少主機處理的時間，消除總線沖突。而且前端子系統與被測器件(DUT)間結構緊湊，可以取得很高的時鐘頻率，便于靈活地處理多種測試問題，例如，在傳統測試系統中，要產生具有ADSL測試所需的動態(tài)范圍的音頻很困難，現在，使用基于DSP的任意波形發(fā)生器，這一任務就變得非常容易。這里最新研制的BC3192V50數模混合集成電路測試系統基于VXI總線設計，其最大優(yōu)點是軟件和硬件都具有開放性和標準化的結構，這種結構允許開發(fā)新的模塊和子系統來加強系統的測試能力，以滿足高速發(fā)展的集成電路產業(yè)的測試需求，針對多頻帶混合信號IC的測試需要，利用基于DSP的測試系統實現復雜的多頻帶混合信號芯片測試。
3 國內外混合信號測試現狀
近幾年，國內外的測試行業(yè)都緊隨著IT技術的發(fā)展步伐，不斷地研究新器件的測試方法，開發(fā)、更新測試儀器，以適應市場的需要。
由于國外對IC測試重視比較早，測試儀器的開發(fā)規(guī)模大、技術成熟，典型的如Credence公司的ASL系列大型測試系統，采用了數字信號處理技術，使IC制造商可以在單一平臺上測試所有用于消費類音頻和視頻應用的器件。我國在IC測試方面起步比較晚，雖然也研制出一些大型的具有混合IC測試功能的測試系統，但對多種頻率范圍的混合信號芯片測試還沒有實用化。此外，大型的測試儀器尤其是進口的測試儀器，價格非常昂貴，測試程序的開發(fā)和儀器的維護、維修費用都非常高，目前國內的測試儀市場主要集中于中、小型測試儀，因此，通過基于數字信號處理的儀器系統來實現多頻帶混合信號芯片的測試很有意義，其市場前景也非常好。目前，混合信號測試系統的發(fā)展方向，一個是要提高對高速和多頻帶IC的測試能力和測試效率，一個是要盡可能降低測試成本，因此，現今的測試系統必須以靈活的架構來滿足多種混合信號測試的需求。業(yè)界主流的做法是將測試系統進一步模塊化，通過儀器子系統來獨立地處理信號和輸出測試結果，并在儀器子系統中集成高速信號處理模塊。此外，為了提高測試效率，合理利用資源，利用同一測試系統做多芯片并行測試也是一個發(fā)展趨勢。
4 基于DSP的混合信號測試方案
針對當今混合信號的測試需求和國內同類產品的現實情況，提出一種混合信號測試的低成本解決方案，即借鑒目前國際上主流混合信號測試系統的架構，緊密結合中小型測試儀器的特點，充分利用BC3192測試系統的開放性和標準化結構，采用新型高速DSP來提升多頻帶混合信號芯片的測試能力。
本文實現方案是以任意波形發(fā)生器(ArbitraryWave Generator，AWG)和音頻／視頻數字化儀(Audio／Video Digitalizer，AVD)的組合來應對多種頻帶的混合信號芯片測試。AVD和AWG的組合可以滿足波形發(fā)生、操作和分析的需要，內部集成高性能 DSP，能夠為測試和分析提供完整的DSP庫函數，因而能夠滿足混合信號的多種測試需要。
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，可以產生可修改的復雜波形，具有激勵被測器件所需的定時功能。 AWG作為VXI儀器系統的一個模塊，通過標準化的接口模塊與資源控制器通信，當需要產生激勵波形時，資源控制器發(fā)送命令和參數到AWG模塊，AWG模塊采用高速DSP芯片作為主處理器，DSP與波形定時器和控制邏輯一起完成任意波形的產生，從而提供給被測器件(DUT)所需的激勵波形。由于被測芯片種類繁多，頻帶范圍很寬，對于不同的被測芯片，采用的定時器和控制邏輯都不盡相同，而且，隨著電子技術的發(fā)展，頻率合成技術已經廣泛應用到測試測量領域，采用數字頻率合成(DDS)專用芯片使得電路更加簡潔可靠，因此，任意波形發(fā)生器的設計也更加容易，其抗干擾能力和精度都更加容易保證。
音頻／視頻數字化儀如圖2所示，主要由信號轉換和調理電路、波形存儲器、DSP、控制邏輯和接口電路等組成。AVD可以設計多個通道，每個通道擁有獨立的硬件資源，可以捕獲各種頻帶的被測信號。同樣，AVD也是一個標準化的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試任務。AVD模塊中包含一個高速DSP芯片作為核心處理器，一方面，DSP中植入了大量的信號處理庫函數，諸如FFT、數字濾波器等任務都可在DSP中完成；另一方面，一些測試算法也可以移植到DSP中來做，因此，在AVD模塊內部就可以得到一些測試數據的中間結果，使得傳送到主機的數據量大大減少，VXI總線上的數據被大量分流，同時，主機的計算量也被DSP芯片分擔，這對于縮短測試時間有重要作用。在對大規(guī)模混合信號芯片進行多片并測時，采用多片DSP并行的結構，在AVD模塊內部完成大量的信號處理和測試算法，能更加顯著地提高測試效率。
本方案在硬件和軟件的設計上采用標準化和模塊化的方法，因此架構靈活、易于升級。首先，由任意波形發(fā)生器(AWG)和音頻／視頻數字化儀(AVD) 為主要模塊構成的多頻帶混合信號儀器系統具有比較完善的功能，能獨立完成混合信號測試的大部分工作，對于不同頻帶范圍的混合信號芯片測試，可以用不同的 AWG和AVD組合完成。其次，由于結構緊湊，使得信號采集和處理能在測試臺本地完成，提升了信號處理能力，消除了總線沖突。再次，這種靈活的架構方便用戶將各個模塊作為可選件來配置測試系統，有效地降低了測試成本。另外，本方案實現了對數字信號處理庫的移植和優(yōu)化，提升了信號處理能力，為多芯片并行測試提供了條件。
5 結語
IC技術的發(fā)展，一方面提供了大量的功能強大的芯片供系統設計者選用，目前高性價比的DSP芯片不僅迎合了當今數字化浪潮，同時為設計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，給芯片測試帶來了新的挑戰(zhàn)，作為電子產品數字化核心之一的混合信號芯片成為芯片測試領域的一個新的熱點。本文針對國內測試設備制造業(yè)的現實情況，提出了一種混合信號測試的低成本解決方案，本文方案充分利用現有條件，遵循標準化和模塊化的設計思路，解決了多種頻帶的混合信號測試問題，是國內現實情況下測試設備制造業(yè)的一個探索，相信會隨著新技術的出現不斷發(fā)展和完善。
隨著數字化浪潮的深入，具有混合信號功能的芯片越來越多地出現在人們的生活中。通訊領域的MODEM(如ADSL)，CODEC和飛速發(fā)展的手機芯片，視頻處理器領域的MPEG，DVD 芯片，都是具有混合信號功能的芯片，其特點是處理速度高、覆蓋的頻率范圍寬，芯片的升級換代周期日益縮短。這就要求測試系統具有更高的性能和更寬的頻帶范圍，而且需要靈活的架構來應對不斷升級的芯片測試需求，以便有效降低新器件的測試成本。此外，混合信號芯片種類繁多，各種具有混合信號的芯片已經廣泛運用到生產和生活的各個領域，而不同的應用領域，其工作的頻率和所要求的精度也各不相同，這就要求在對混合信號進行測試時，抓住其共性來提出測試方案。所有混合信號芯片的一個最基本的共性就是其內部均具有AD／DA，一些混合信號芯片還包括PLL模塊。本文所論述的混合信號測試僅涉及到ADC和DAC通路。
一般，對于ADC通路，測試系統需要通過波形發(fā)生器產生適當的激勵信號，同時，通過自身的數字通道采集ADC的輸出信號并進行運算以獲得測試結果；對于DAC通路，測試系統需要通過數字通道產生適當的激勵信號，同時，通過自身的波形采樣器采集DAC的輸出信號并進行運算獲得測試結果。但無論對于 ADC還是DAC測試，都要求系統的模擬模塊，即波形發(fā)生器和波形采樣器，與系統的數字通道同步，才能確保測試的準確性。此外，系統還需提供豐富的內置函數，迅速完成對采集信號的運算，才能實現對ADC／DAC的靜態(tài)和動態(tài)特性的測試。因此，在對混合信號芯片的測試過程中，一般需要數字通道、波形發(fā)生器、波形分析器、直流電源、時隙分析器、系統時鐘等模塊，其中波形發(fā)生器和波形分析器是決定系統速度和精度的關鍵環(huán)節(jié)，本文分別在這兩個方面做較詳盡的論述。
2 傳統測試方法面臨的挑戰(zhàn)
傳統的基于純軟件的測試方法已經難于應對新型混合信號器件的測試需求，對于混合信號器件，通常要通過測試其互調失真(IMD)、多音頻功率比率 (MTPR)等參數，以獲得器件的非線性特性，測試這些參數，需要采集大量的數據，并進行大量的運算，傳統的測試儀器通常采用基于軟件的方法在主機中實現，其缺點在于，一方面限制了運算速度的提高；另一方面，主機和測試臺之間存在大量的數據交互，容易造成總線沖突，因而測試效率不高。針對這個情況，一種切實可行的方案是在測試系統前端建立本地儀器子系統，將原來基于軟件的信號處理庫移植到本地處理器中來完成，儀器子系統集成信號產生和采集的功能，并采用高速DSP進行大量的數學運算，以減少主機處理的時間，消除總線沖突。而且前端子系統與被測器件(DUT)間結構緊湊，可以取得很高的時鐘頻率，便于靈活地處理多種測試問題，例如，在傳統測試系統中，要產生具有ADSL測試所需的動態(tài)范圍的音頻很困難，現在，使用基于DSP的任意波形發(fā)生器，這一任務就變得非常容易。這里最新研制的BC3192V50數模混合集成電路測試系統基于VXI總線設計，其最大優(yōu)點是軟件和硬件都具有開放性和標準化的結構，這種結構允許開發(fā)新的模塊和子系統來加強系統的測試能力，以滿足高速發(fā)展的集成電路產業(yè)的測試需求，針對多頻帶混合信號IC的測試需要，利用基于DSP的測試系統實現復雜的多頻帶混合信號芯片測試。
3 國內外混合信號測試現狀
近幾年，國內外的測試行業(yè)都緊隨著IT技術的發(fā)展步伐，不斷地研究新器件的測試方法，開發(fā)、更新測試儀器，以適應市場的需要。
由于國外對IC測試重視比較早，測試儀器的開發(fā)規(guī)模大、技術成熟，典型的如Credence公司的ASL系列大型測試系統，采用了數字信號處理技術，使IC制造商可以在單一平臺上測試所有用于消費類音頻和視頻應用的器件。我國在IC測試方面起步比較晚，雖然也研制出一些大型的具有混合IC測試功能的測試系統，但對多種頻率范圍的混合信號芯片測試還沒有實用化。此外，大型的測試儀器尤其是進口的測試儀器，價格非常昂貴，測試程序的開發(fā)和儀器的維護、維修費用都非常高，目前國內的測試儀市場主要集中于中、小型測試儀，因此，通過基于數字信號處理的儀器系統來實現多頻帶混合信號芯片的測試很有意義，其市場前景也非常好。目前，混合信號測試系統的發(fā)展方向，一個是要提高對高速和多頻帶IC的測試能力和測試效率，一個是要盡可能降低測試成本，因此，現今的測試系統必須以靈活的架構來滿足多種混合信號測試的需求。業(yè)界主流的做法是將測試系統進一步模塊化，通過儀器子系統來獨立地處理信號和輸出測試結果，并在儀器子系統中集成高速信號處理模塊。此外，為了提高測試效率，合理利用資源，利用同一測試系統做多芯片并行測試也是一個發(fā)展趨勢。
4 基于DSP的混合信號測試方案
針對當今混合信號的測試需求和國內同類產品的現實情況，提出一種混合信號測試的低成本解決方案，即借鑒目前國際上主流混合信號測試系統的架構，緊密結合中小型測試儀器的特點，充分利用BC3192測試系統的開放性和標準化結構，采用新型高速DSP來提升多頻帶混合信號芯片的測試能力。
本文實現方案是以任意波形發(fā)生器(ArbitraryWave Generator，AWG)和音頻／視頻數字化儀(Audio／Video Digitalizer，AVD)的組合來應對多種頻帶的混合信號芯片測試。AVD和AWG的組合可以滿足波形發(fā)生、操作和分析的需要，內部集成高性能 DSP，能夠為測試和分析提供完整的DSP庫函數，因而能夠滿足混合信號的多種測試需要。
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，可以產生可修改的復雜波形，具有激勵被測器件所需的定時功能。 AWG作為VXI儀器系統的一個模塊，通過標準化的接口模塊與資源控制器通信，當需要產生激勵波形時，資源控制器發(fā)送命令和參數到AWG模塊，AWG模塊采用高速DSP芯片作為主處理器，DSP與波形定時器和控制邏輯一起完成任意波形的產生，從而提供給被測器件(DUT)所需的激勵波形。由于被測芯片種類繁多，頻帶范圍很寬，對于不同的被測芯片，采用的定時器和控制邏輯都不盡相同，而且，隨著電子技術的發(fā)展，頻率合成技術已經廣泛應用到測試測量領域，采用數字頻率合成(DDS)專用芯片使得電路更加簡潔可靠，因此，任意波形發(fā)生器的設計也更加容易，其抗干擾能力和精度都更加容易保證。
音頻／視頻數字化儀如圖2所示，主要由信號轉換和調理電路、波形存儲器、DSP、控制邏輯和接口電路等組成。AVD可以設計多個通道，每個通道擁有獨立的硬件資源，可以捕獲各種頻帶的被測信號。同樣，AVD也是一個標準化的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試任務。AVD模塊中包含一個高速DSP芯片作為核心處理器，一方面，DSP中植入了大量的信號處理庫函數，諸如FFT、數字濾波器等任務都可在DSP中完成；另一方面，一些測試算法也可以移植到DSP中來做，因此，在AVD模塊內部就可以得到一些測試數據的中間結果，使得傳送到主機的數據量大大減少，VXI總線上的數據被大量分流，同時，主機的計算量也被DSP芯片分擔，這對于縮短測試時間有重要作用。在對大規(guī)模混合信號芯片進行多片并測時，采用多片DSP并行的結構，在AVD模塊內部完成大量的信號處理和測試算法，能更加顯著地提高測試效率。
本方案在硬件和軟件的設計上采用標準化和模塊化的方法，因此架構靈活、易于升級。首先，由任意波形發(fā)生器(AWG)和音頻／視頻數字化儀(AVD) 為主要模塊構成的多頻帶混合信號儀器系統具有比較完善的功能，能獨立完成混合信號測試的大部分工作，對于不同頻帶范圍的混合信號芯片測試，可以用不同的 AWG和AVD組合完成。其次，由于結構緊湊，使得信號采集和處理能在測試臺本地完成，提升了信號處理能力，消除了總線沖突。再次，這種靈活的架構方便用戶將各個模塊作為可選件來配置測試系統，有效地降低了測試成本。另外，本方案實現了對數字信號處理庫的移植和優(yōu)化，提升了信號處理能力，為多芯片并行測試提供了條件。
5 結語
IC技術的發(fā)展，一方面提供了大量的功能強大的芯片供系統設計者選用，目前高性價比的DSP芯片不僅迎合了當今數字化浪潮，同時為設計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，給芯片測試帶來了新的挑戰(zhàn)，作為電子產品數字化核心之一的混合信號芯片成為芯片測試領域的一個新的熱點。本文針對國內測試設備制造業(yè)的現實情況，提出了一種混合信號測試的低成本解決方案，本文方案充分利用現有條件，遵循標準化和模塊化的設計思路，解決了多種頻帶的混合信號測試問題，是國內現實情況下測試設備制造業(yè)的一個探索，相信會隨著新技術的出現不斷發(fā)展和完善。
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