信號處理電路自動化測試方法分析

邵致新，張曉林

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

傳統(tǒng)測試方法對電路信號的識別和處理難度較大，無法保證測試準(zhǔn)確度。隨著信息技術(shù)發(fā)展，將自動化測試系統(tǒng)應(yīng)用在電路信號的處理中成為大勢所趨，為確保系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)范性，全面提升電路測試能力，有關(guān)人員需要對測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有所了解，并對具體測試方法與思路進(jìn)行研究。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)階段，基于信號電路測試的自動化方法得到廣泛應(yīng)用，不僅電路信號信息的測試精度明顯提升，測試系統(tǒng)的通用性也有所提高，基本實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)電路的全自動化測試與分析。測試系統(tǒng)的硬件部分包括工況機(jī)、測試儀機(jī)箱、鍵盤、顯示器、打印機(jī)。技術(shù)人員可通過DB25 數(shù)據(jù)接口，將被測電路與測試儀機(jī)箱連接，并將二者接通到工況機(jī)系統(tǒng)中。通過測試軟件系統(tǒng)，對電路信號進(jìn)行處理，經(jīng)由顯示器對電路的測試結(jié)果進(jìn)行顯示。

在整個測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，測試儀是最為關(guān)鍵的部分。相關(guān)人員需要將測試儀與上位機(jī)連接，以此來完成對測試任務(wù)進(jìn)行裝訂、對測試結(jié)果進(jìn)行顯示的操作。測試系統(tǒng)中的DSP 主要負(fù)責(zé)執(zhí)行控制任務(wù)以及與上位機(jī)之間的通信。在設(shè)計(jì)方案中，技術(shù)人員剔除將DSP 與存儲器連接，實(shí)現(xiàn)對電路測試數(shù)據(jù)的存儲，而在具體的模塊設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)對信號采集、多普勒信號生成與電壓電流輸入模塊進(jìn)行預(yù)留，并將其與DB25 接口連通，以此完成信號指示燈顯示與供電提醒[1]。另外，為提升測試系統(tǒng)通用性，有關(guān)人員需要明確信號處理特點(diǎn)，同時密切關(guān)注信號生成、采集、判斷和處理等模塊，在自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對上述模塊進(jìn)行調(diào)整，減少人工操作，以此來提升測試結(jié)果準(zhǔn)確度?？紤]到測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是否科學(xué)直接影響到測試結(jié)果，因此，在測試方案設(shè)計(jì)完成后，有關(guān)人員需要對測試要點(diǎn)進(jìn)行歸納，評估測試系統(tǒng)的應(yīng)用性能，確保自動化測試目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 引入多普勒結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)要求為依據(jù)，創(chuàng)造性地引入了多普勒結(jié)構(gòu)，考慮到本系統(tǒng)需要對回波信號進(jìn)行模擬，為保證所產(chǎn)生波形類型符合要求，有關(guān)人員提出可同時運(yùn)行DSP、ram 和CPLD。由DSP 單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算包絡(luò)周期，向ram 傳遞各點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，按照預(yù)設(shè)頻率對ram 值進(jìn)行閱讀，經(jīng)由D/A 轉(zhuǎn)換獲得相應(yīng)的多普勒信號。由于載波頻率并不固定，有關(guān)人員最終決定將ram定為2 MHz 時鐘，若載波是120 kHz，各周期所輸出點(diǎn)的數(shù)量可達(dá)到16 個，如果載波是1.5 kHz，各周期所輸出點(diǎn)的數(shù)量約為1 300 個，均可滿足本項(xiàng)目所提出要求。研究表明，任一完整外包絡(luò)均要有660k 個點(diǎn)提供支撐，除特殊情況外，本系統(tǒng)都能夠采用16×1M ram，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，主要是能夠直接輸出多普勒信號，將完整外包絡(luò)視為輸出周期，存儲空間設(shè)定為1.6×1M，則外包絡(luò)周期時間最長可達(dá)到500 ms 左右，滿足連續(xù)輸出多普勒信號的要求，此外，有關(guān)人員可酌情對外包絡(luò)波形進(jìn)行定義，確保其功能得到應(yīng)有發(fā)揮。該方法和常規(guī)方法的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下方面，常規(guī)方法需要先借助DDS 獲得正弦波，再利用硬件調(diào)制正弦波。本文所討論方法強(qiáng)調(diào)由DSP 單片機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)制正弦波，硬件的任務(wù)是進(jìn)行D/A 輸出，可在保證整體效果的前提下，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加精簡。

當(dāng)然，該方法也有亟待解決的問題存在：一是通常需要配置多個容量較大的存儲器；二是單片機(jī)需要經(jīng)由總線向ram 傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致總線地址空間被占用。要想解決現(xiàn)存問題，關(guān)鍵是要對測試系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，將管理ram 的工作交由CPLD 負(fù)責(zé)，CPLD 的任務(wù)不僅有產(chǎn)生讀寫時序，還包括將DSP 時序盡快轉(zhuǎn)換成ram 時序，而ram 時序所包括內(nèi)容較多，既有常規(guī)的控制總線時序，還有測試所需的數(shù)據(jù)總線以及地址總線時序[2]。

具體運(yùn)行方案如下：①由單片機(jī)負(fù)責(zé)對完整外包絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并傳輸，與此同時還要向CPLD傳輸復(fù)位指令、啟動指令以及其他控制參數(shù)。隨后，對CPLD 和DSP 總線進(jìn)行連接，由CPLD 負(fù)責(zé)鎖存控制參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為生成波形所需控制參數(shù)。若所傳輸數(shù)據(jù)為波形數(shù)據(jù)，則要通過CPLD 對數(shù)據(jù)進(jìn)行時序配合及相關(guān)處理，根據(jù)地址譯碼對其所寫入ram 加以確定。考慮到DSP 空間地址較為固定，有關(guān)人員計(jì)劃向波形數(shù)據(jù)提供相應(yīng)的空間地址，利用CPLD 對地址進(jìn)行生成。單片機(jī)可經(jīng)由地址向CPLD 連續(xù)寫入波形數(shù)據(jù)，視情況對ram 數(shù)據(jù)總線、DSP 數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，確保地址生成器能夠參考控制總線所處狀態(tài)及DSP 地址，嚴(yán)格按照寫入時序所提出要求將地址信號送出，同時配合單口ram 對數(shù)據(jù)鎖存信號進(jìn)行生成。本系統(tǒng)選擇采用單口ram 的原因，主要是對引線數(shù)量加以控制。②待存儲ram 數(shù)據(jù)的操作告一段落，便可基于啟動指令將波形送出，簡單來說，就是閱讀ram數(shù)據(jù)并寫入D/A 數(shù)據(jù)，CPLD 負(fù)責(zé)對以上時序進(jìn)行控制。以控制參數(shù)為依據(jù)生成波形，通過2 MHz 時鐘輸出相關(guān)數(shù)據(jù)并定期更新閱讀地址，與此同時，通過CPLD 完成設(shè)置數(shù)據(jù)總線的操作，確保數(shù)據(jù)總線始終處于高阻態(tài)的狀態(tài)，為數(shù)據(jù)傳遞提供便利。③以技術(shù)要求為依據(jù)，將D/A 的輸出范圍固定在-5 V～+5 V的范圍內(nèi)，本系統(tǒng)所安裝轉(zhuǎn)換器的型號為AD5445，可通過四象限運(yùn)行的方式，達(dá)到雙極性輸出的目的。

2.2 采集并判斷信號

信號采集和判斷是電路自動化測試的核心部分，本系統(tǒng)所采取設(shè)計(jì)方案將信號采集模塊中的A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了優(yōu)化，使用的轉(zhuǎn)換器型號為TMS 320LF2407。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，有關(guān)人員將系統(tǒng)采樣頻率規(guī)定在1 MHz、采集圖像的分辨率為2.7 mV，采樣間隔時間為475 ns、轉(zhuǎn)換器在工作狀態(tài)下為2.5 V。

測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合上述條件，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電路測試具體環(huán)境，對工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保系統(tǒng)可達(dá)到理想的測試性能。同時，在測試過程中，還應(yīng)對測試環(huán)境進(jìn)行明確，通過最新的技術(shù)方式提高測試工作效率。例如，在多普勒信號的產(chǎn)生中，由于系統(tǒng)需要對回波信號進(jìn)行模擬，在處理多個波形信號期間存在較強(qiáng)的技術(shù)難度，加之整個測試過程信號不穩(wěn)定。為解決上述問題和難點(diǎn)，本系統(tǒng)融合了DSP、ram與CPLD 不同處理方式，對系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行充分發(fā)掘。事實(shí)證明，經(jīng)過技術(shù)升級后，測試環(huán)境穩(wěn)定，系統(tǒng)可及時且高效地完成對測試信號加以獲取的任務(wù)[3]。

2.3 其他設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

2.3.1 供電模塊

本系統(tǒng)所產(chǎn)生電源電平的參數(shù)，分別為±5 V 和±12 V，其中，±12 V 供目標(biāo)板所用，±5 V 則供測試電路所用。有關(guān)人員計(jì)劃安裝NCP117 管理芯片，其特點(diǎn)是可提供1 A 電流，具有極高的電壓精度，可提供熱關(guān)斷、電流保護(hù)以及溫度補(bǔ)償功能。

2.3.2 自動測試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，本系統(tǒng)需要對大量項(xiàng)目進(jìn)行測量，由此可見，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為依據(jù)，對相關(guān)任務(wù)進(jìn)行科學(xué)安排十分重要，其中，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)制定各項(xiàng)任務(wù)，DSP 的職責(zé)是確保測試任務(wù)能夠按照預(yù)設(shè)流程開展，CPLD 的加入可保證具體任務(wù)得到高效落實(shí)，在提高任務(wù)測量所具有全面性的基礎(chǔ)上，為測量環(huán)節(jié)所具有實(shí)時性提供保證。

2.3.3 高效打印

在定義打印格式方面，有關(guān)人員著重突出了系統(tǒng)的靈活性，確保用戶能夠以實(shí)際需求為依據(jù)，通過調(diào)整文檔模板的方式，獲得相應(yīng)的報表，由打印軟件負(fù)責(zé)在打印報表中自動填入相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 信號處理電路自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 信號處理過程

信號處理圍繞數(shù)字信號為核心展開，通過在電子計(jì)算機(jī)上操作，運(yùn)用軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的計(jì)算或處理，所以不管多么復(fù)雜多變的計(jì)算，只要現(xiàn)存數(shù)學(xué)領(lǐng)域能夠解決的，信號處理可以以更高效和便捷的處理方式實(shí)現(xiàn)處理目的。而且伴隨著近年來數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，信號處理不再是陌生的符號，它融入了人們?nèi)粘Ｉ詈蛯W(xué)習(xí)工作中，人們也在信息技術(shù)普及下對信號處理概念有了更深的理解和認(rèn)知。從以往單一的模擬信號處理，轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)下的數(shù)字信號，借助高效率的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化器對信號進(jìn)行處理。對數(shù)字信號處理的具體應(yīng)用包含數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及音頻技術(shù)，數(shù)據(jù)壓縮包含建模、量化以及編碼，其中量化和編碼數(shù)據(jù)信息論的范疇，而建模過程需要運(yùn)用數(shù)字信號處理中的時頻分析、預(yù)測、變換等知識。

3.2 基于懸絲法的螺線管磁軸測量信號處理技術(shù)

螺線管線圈是直線感應(yīng)加速器中大量使用的關(guān)鍵部件，其性能直接影響強(qiáng)流電子束束流的傳輸效果及束流的聚焦效果，因此，需要對其磁軸的分布及偏離進(jìn)行高精度的檢測與測量。在螺線管線圈的磁軸測量技術(shù)中，脈沖懸絲法與其他電路測試方法相比較而言，具有良好的應(yīng)用效果，而且一直以來這種測量方法也得到了廣泛應(yīng)用。通過對比分析，以往在懸絲振動的位置測量系統(tǒng)一般采用的是圍繞信號放大的應(yīng)用原理進(jìn)行測量線路，但是這種測量方式會造成測量系統(tǒng)的安裝與調(diào)試結(jié)果有很大的不準(zhǔn)確性，而且操作過程也并不方便，應(yīng)用性能價值不高，會致使磁軸測量信號發(fā)生偏移，并與傾斜信號耦合。與此同時，在磁軸上的有效測量信幅度信號偏小，是疊加在較大幅度的振動信號基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，運(yùn)用這樣的測量原理并不能獲得有效測量信號，也會給后續(xù)信號處理過程造成干擾和影響，使信號測量精確度偏移。因此，針對懸絲法的磁軸測量技術(shù)的基本原理及原有探測器信號處理方式基礎(chǔ)上，確立一種能夠消除高偏置水平的信號處理線路原理，解決了原信號線路的工作點(diǎn)的變化與信號電流變化耦合在一起對信號處理電路測量線路產(chǎn)生影響的問題。

3.3 數(shù)字信號處理分析

數(shù)字信號處理在現(xiàn)階段是通過數(shù)字計(jì)算方式將信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉暇唧w需求的一種形式，一般生活中常見的數(shù)字信號處理技術(shù)包含頻譜分析、數(shù)字濾波、信號識別等。而在數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展和社會科技水平及需求不斷提升下，其在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)及電子技術(shù)快速發(fā)展中，成為了工程技術(shù)、科研工作等領(lǐng)域中的重點(diǎn)關(guān)注對象，并在技術(shù)的革新下取代了以往模擬信號處理技術(shù)，獲得良好的處理效果，實(shí)現(xiàn)了在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。以集成電路的測試為例，對集成電路測試中芯片設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)節(jié)、晶圓制造中的晶圓檢測環(huán)節(jié)、封裝完成后的成品測試環(huán)節(jié)展開分析。

3.3.1 芯片設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)節(jié)是指芯片設(shè)計(jì)單位利用測試機(jī)和探針臺、測試機(jī)和分選機(jī)對晶圓樣品檢測和集成電路封裝樣品的成品進(jìn)行測試，檢驗(yàn)樣品中的功能作用和性能優(yōu)劣與實(shí)際要求是否一致。

3.3.2 晶圓制造中的晶圓檢測環(huán)節(jié)

晶圓檢測是指在晶圓制造完成后進(jìn)行封裝前，通過探針臺和測試機(jī)配合使用，對晶圓上的芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)性能測試，其測試過程為：探針臺將晶圓逐片自動傳送至測試位置，芯片的Pad 點(diǎn)通過探針、專用連接線與測試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測試機(jī)對芯片施加輸入信號、采集輸出信號，判斷芯片在不同工作條件下功能和性能的有效性。測試結(jié)果通過通信接口傳送給探針臺，探針臺據(jù)此對芯片進(jìn)行標(biāo)記。

3.3.3 封裝完成后的成品測試環(huán)節(jié)

成品測試環(huán)節(jié)是指完成芯片封裝后，運(yùn)用測試機(jī)和分選機(jī)協(xié)同作用，對集成電路的功能及性能是否有效進(jìn)行測試，確保集成電路的性能指標(biāo)與電路設(shè)計(jì)質(zhì)量要求及標(biāo)準(zhǔn)相一致。在整個測試過程中，需要先運(yùn)用分選機(jī)，將待測試的集成電路通過自動化技術(shù)傳送到制定測試位置，然后將被檢測集成電路的引腳通過測試工位上的金手指、專用連接線與測試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，再運(yùn)用測試機(jī)對集成電路施加輸入信號、采集輸出信號，以此判斷集成電路的功能在多方面運(yùn)行條件下是否可以發(fā)揮實(shí)際作用。最后的測試結(jié)果會通過通信接口傳送給分選機(jī)，分選機(jī)再根據(jù)反饋的信息對所測試的集成電路進(jìn)行標(biāo)記、分類等相關(guān)操作。不管在哪個測試階段，要測試芯片的各項(xiàng)功能指標(biāo)需要在前兩個測試步驟完成基礎(chǔ)上，一方面，是連接芯片的引腳與測試機(jī)的功能模塊，另一方面，是利用測試機(jī)對芯片施加輸入信號，并檢測芯片的輸出信號，判斷芯片功能和性能指標(biāo)的有效性。

3.4 對集成電路測試技術(shù)難點(diǎn)把控

集成電路測試設(shè)備的技術(shù)要求很高，集合多種技術(shù)難點(diǎn)于一體，包含計(jì)算機(jī)、自動化、通信、精密電子測試等技術(shù)，越是這種技術(shù)密集和技術(shù)含量要求高的行業(yè)，其對電路測試的穩(wěn)定性和高效性的要求也越高，對電路測試設(shè)備的性能要求也隨之提高。對于集成電路測試設(shè)備的技術(shù)難點(diǎn)主要包含2 個方面：①測試機(jī)。由于集成電路參數(shù)項(xiàng)目越來越多，如電壓、電流、時間、溫度、電阻、電容等，也因此對測試設(shè)備的功能需求也加大。②分選機(jī)。分選機(jī)對自動化高速重復(fù)定位控制能力和測壓精度要求較高，誤差精度普遍要求在0.01 mm 等級。

4 結(jié)論

綜上，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)發(fā)展，電路信號的測試精度和時效性等問題以極為直觀的方式被展現(xiàn)了出來，現(xiàn)已成為有關(guān)人員研究的主要方向。本文以信號處理電路測試為出發(fā)點(diǎn)，對自動化測試技術(shù)進(jìn)行展開說明，通過引入多普勒結(jié)構(gòu)、采集判斷信號等方法，使測試系統(tǒng)應(yīng)用性能提升。未來在信號處理電路技術(shù)的選擇上，技術(shù)人員應(yīng)對自動化測試方法進(jìn)行升級，重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)測試效率、精度和信號完整度，以此來達(dá)到完善測試流程的目的，為相關(guān)工作的有序開展助力。