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发表于 2008/7/5 20:50:53

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如何利用逻辑分析仪来缩短嵌入式系统的开发时间

如何利用逻辑分析仪来缩短嵌入式系统的开发时间

技术分类: 测试与测量  嵌入式系统  | 2008-07-03
嵌入式在线 | 作者:孕龙科技仪器事业处业务部业务经理 郑铭国

  前言:                                       

  今日依据微控制器(MCU)和数字信号处理器(DSP)所设计的嵌入式系统功能是越来越复杂,其脚位数设计也越来越多,不过当您需要数字设计的重要信息时,也唯有设计复杂精密的逻辑分析仪才能处理先进电子产业不断增加的性能及复杂性。

  所以使用逻辑分析仪通常是最佳(有时是唯一)的办法;例如,若要观测状态模式中的逻辑,或在众多的频道中检查时序关系,您就非得使用逻辑分析仪不可了。

  目前还是有许多研发工程师依赖着其所熟悉的示波器,用来量测大量的数字信号和除错(Debug)复杂的数字电路设计,也许您会觉得为什么不可以用示波器来量测,当然可以,只是当您使用逻辑分析仪来替代示波器量测和除错(Debug)数字的相关信号时,您的研发时间将会大量的缩短,节省您宝贵的研发时间,现在您不用马上相信我,但当您看完下列说明后,相信您马上会爱上逻辑分析仪!

  量测通道:

  在目前的新式微处理器和微控制器其设计的脚位数是越来越多,所以如果还是使用示波器(量测通道2~4CH)来观察分析的话,那肯定会浪费很多的研发时间,进而造成新产品的上市时间的延长。以下举例说明:假设有一微处理器(MCU)是20PIN的脚位数,共有8个I/O脚位数,当工程师想要同一时间来观查分析所有I/O脚之变化和相互间的关系;此时使用示波器就没办法办到,因为示波器最多就只有四个量测通道,所以最多一次可以同时间观察四个脚位的I/O变化,所以要观察八个脚位的I/O变化,并不是用示波器看两次,就可以达到,而且要相互间的关系也很难作判断,我想几乎所有工程师只要使用示波器用来量测此案例,一定都会非常苦恼,而且浪费在此段的量测时间差不多是占整个研发周期1/4;但是假如工程师用逻辑分析仪来量测此案例时,您知道会有多简单吗?因为逻辑分析仪拥有的量测通道从16~数百个不等(如图一),逻辑分析仪可以一次将同一时间八个脚位的I/O变化和相互间的关系,显示在同一窗口上,可以让工程师很容易的去观察分析,并发现相互间之差异性,如此,使用逻辑分析仪量测此案例,将会缩短1/5的研发周期。

  也许您会认为那么多的量测信道,怎么会记得哪一个通道量测哪一个脚位或是信号,关于这一点逻辑分析仪也帮您设想到了,您可以针对每个量测通道更改名称,只要将通道名称更改为您所量测的脚位或是信号名称,哪怕您将此波形档案储存起来,等后续您还要再来分析此波形时,也会很容易进入分析状况,不会完全搞不清楚状况。

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放大分析功能:

  在目前的消费性数字电子产品,其功能设计是越来越精良,也越来越复杂,且其所要求的质量却不会因为功能性的提高,而降低产品质量,反而是要求越来越高,所以研发工程师所面临的问题,就是其所要观察分析的波形数据长度越来越长,而且最好能把一个CYCLE程序的波形数据全部显示出来,供工程师可以一次性的观察分析波形数据。以下举例说明:有一工程师用MCU设计了一个八位的计数器程序,从0x00开始计数到0xFF结束,且其震荡器是使用8MHz;此时当工程师使用示波器和逻辑分析仪来观察分析此计数器的计数从0x00~0xFF是否正常时,它们是否可以一次将0x00~0XFF的波形数据全部抓取显示出来?(如图二)所抓取下来的波形数据是否可以全部无限制放大来分析和放大后波形是否会失真?(如图三和图四)

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图四 当示波器再放大时,波形显示已经是失真状态,但是逻辑分析仪却没有这个限制,反而利用水平放大的功能,来寻找目测难以发现的Bug,如图本来0xFF之后是要接0x00,但是经过放大后,却发现在0xFF和0x00之间有一个Bug,波形数据为0xF0,而且这也要归功逻辑分析仪拥有多个量测信道和总线分析的功能,才能很容易发现这个Bug。

总线(Bus)分析功能:

  相信工程师们对这各名词应该是很熟悉,因为在产品的研发上,处处都可以看得到它的身影,如数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)和控制总线(Control Bus)等,它的好用之处相信工程师们也应该很清楚,但是工程师对它是又爱又恨,我为什么会这样说呢?因为总线(Bus)大部分都是8~16bits不等,所以当工程师要用示波器来解读总线(Bus)里的信息时,就非常麻烦了,因为示波器最多就只有四个量测通道,所以最多一次可以同时间观察4bits的信息,所以要观察8bits信息,用示波器就要分两次来量测,并且要做记录,工程师再根据记录来判读总线(Bus)里的信息,假如要转换进制的话,工程师还要计算才会得知转换后的进制值是多少,所以用示波器来量测解读总线(Bus)是非常不明智的选择,而且浪费在此段的量测时间差不多也是占整个研发周期1/4;但是假如工程师用逻辑分析仪来量测解读总线(Bus)时,您知道会有多容易吗?因为逻辑分析仪本身就具有分析总线(Bus)的功能,您只要将要分析的八个I/O(8bits)组合起来成为一总线(Bus) (如图五),还可以专为此总线(Bus)命名,如此工程师在分析总线(Bus)时,就可以很容易的来解读总线(Bus)里的信息(如图六),并且逻辑分析仪还具备进制转换的功能,您只要选择转换后的进制种类,逻辑分析仪就会自动帮您转换,并把转换后的进制值显示出来(如图七),让您不用在浪费时间去做进制的转换计算,如此使用逻辑分析仪量测此案例,将会缩短1/5的研发周期。

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触发功能:

  说到触发功能,相信工程师们都已经很熟悉了,因为在目前所有的量测仪器当中,几乎99%都拥有此功能,只是大家的触发条件设定不同,假如工程师将触发功能应用的得心应手,那量测仪器所抓取的波形数据将会是使用者最想要分析的那一段,而不会造成让量测仪器抓取一大推的无用数据,进而浪费工程师在Debug的时间。

  触发功能是如此的重要,但是示波器的触发功能的条件设定却只有两种边缘触发(上升缘和下降缘),而且只能单一量测通道可以设定触发条件,如此少的触发功能,相信工程师使用起来真的是苦不堪言,因为常常所撷取到的波形数据不是他所想要分析的,进而延长产品的开发时间;但是说到逻辑分析仪之触发功能,其功能之强大,要强过示波器好几千倍,您一定会认为我夸大其辞,但是相信您看完我下面之介绍,一定会改变您的想法,逻辑分析仪除了可以设定触发条件外,还有触发参考电压准位、触发位置、触发次数、触发页、触发延迟各种触发功能之应用,逻辑分析仪之触发条件设定共有六种(如图八),任意信号、高准位、低准位、上升缘、下降缘和任一边缘供工程师所需来设定,而且所有的量测信道均可以做组合触发设定,但需注意要所有触发条件同时成立时(即所有触发通道做AND),才会触发成立,光这一个触发条件设定就已经比示波器还要强大,假如工程师再加入触发位置之选择,可以同时观察触发条件成立之前后的波形数据,或是利用触发次数、触发页和触发延迟可用来分析触发后更后面的波形数据,以解决内存深度的不足,进而可以分析长时间大量的波形数据。

同时观看模拟和数字信号之方法:

  目前市场上很少有产品电路是纯数字或模拟设计,下面介绍利用逻辑分析仪之触发状态输出(Trigger Out)和示波器的外部触发源(EXT Trigger)搭配使用,用以达到在同一时间点可以同时抓取数字和模拟信号;当工程师所设定的触发条件成立时,触发状态输出(Trigger Out)脚位会输出一上升缘波形,所以当工程师想利用此信号输出来触发示波器,只需将此触发状态输出(Trigger Out)脚位连接到示波器的外部触发源(EXT Trigger),并将其触发条件设定为EXT Trigger上升缘,如此使用者只需要执行逻辑分析仪,就可以利用其触发条件成立时,即可以同时触发示波器触发条件成立来进行相关量测动作,其连接方式请看(如图九)。

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图九 示波器和逻辑分析仪搭配示意图

  结论:

  综合前面所述的逻辑分析仪功能,只是它强大功能的冰山一角,所以逻辑分析仪在嵌入式系统的研发过程量测当中,是占有极大的关键地位,但是在目前市场整个产品研发当中,示波器和逻辑分析仪其实是要相辅相成的,如此在产品的研发时间才会更加快速,也才会更加缩短产品的上市时间,进而为公司赚取更大更多的获利,所以工程师必须对示波器和逻辑分析仪这两种量测仪器都要非常的熟悉,要如何运用个别的特性来抓取自己所需的波形数据,如何来搭配相互使用也是一大学问,这些问题都是值得工程师们去深思熟虑!

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发表于 2008/7/5 20:46:40

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服务器性能测试典型工具介绍

服务器性能测试典型工具介绍

 

   众所周知,服务器是整个网络系统和计算平台的核心,许多重要的数据都保存在服务器上,很多网络服务都在服务器上运行,因此服务器性能的好坏决定了整个应用系统的性能。

  现在市面上不同品牌、不同种类的服务器有很多种,用户在选购时,怎样从纷繁的型号中选择出所需要的,适合于自己应用的服务器产品,仅仅从配置上判别是不够的,最好能够通过实际测试来筛选。而各种的评测软件有很多种,你应该选择哪个软件测试?下面就介绍一些较典型的测试工具:

  (一)服务器整机系统性能测试工具

  一台服务器系统的性能可以按照处理器、内存、存储、网络几部分来划分,而针对不同的应用,可能会对某些部分的性能要求高一些。

  Iometer:存储子系统读写性能测试

  Iometer是Windows系统下对存储子系统的读写性能进行测试的软件。可以显示磁盘系统的最大I/O能力、磁盘系统的最大吞吐量、CPU使用率、错误信息等。用户可以通过设置不同的测试的参数,有存取类型(如sequential ,random)、读写块大小(如64K、256K),队列深度等,来模拟实际应用的读写环境进行测试。

  Iometer操作简单,可以录制测试脚本,可以准确有效的反映存储系统的读写性能,为各大服务器和存储厂商所广泛采用。

  Sisoft Sandra:WINDOWS下基准评测

  SiSoft发行的Sandra系列测试软件是Windows系统下的基准评测软件。此软件有超过三十种以上的测试项目,能够查看系统所有配件的信息,而且能够对部分配件(如CPU、内存、硬盘等)进行打分(benchmark),并且可以与其它型号硬件的得分进行对比。另外,该软件还有系统稳定性综合测试、性能调整向导等附加功能。

  Sisoft Sandra软件在最近发布的Intel bensley平台上测试的内存带宽性能并不理想,不知道采用该软件测试的FBD内存性能是否还有参考价值,或许软件应该针对FBD内存带宽的测试项目做一个升级。

  Iozone:linux下I/O性能测试

  现在有很多的服务器系统都是采用linux操作系统,在linux平台下测试I/O性能可以采用iozone。

  Iozone是一个文件系统的benchmark工具,可以测试不同的操作系统中文件系统的读写性能。可以测试Read, write, re-read, re-write, read backwards, read strided, fread, fwrite, random read, pread ,mmap, aio_read, aio_write 等等不同的模式下的硬盘的性能。测试所有这些方面,生成excel文件,另外, iozone还附带了用gnuplot画图的脚本。

  该软件用在大规模机群系统上测试NFS的性能,更加具有说服力。

  NetpeRF网络性能测试

  Netperf可以测试服务器网络性能,主要针对基于TCP或UDP的传输。Netperf根据应用的不同,可以进行不同模式的网络性能测试,即批量数据传输(bulk data transfer)模式和请求/应答(request/reponse)模式。Netperf测试结果所反映的是一个系统能够以多快的速度向另外一个系统发送数据,以及另外一个系统能够以多块的速度接收数据。

  Netperf工具以client/server方式工作。server端是netserver,用来侦听来自client端的连接,client端是 netperf,用来向server发起网络测试。在client与server之间,首先建立一个控制连接,传递有关测试配置的信息,以及测试的结果;在控制连接建立并传递了测试配置信息以后,client与server之间会再建立一个测试连接,用来来回传递着特殊的流量模式,以测试网络的性能。

  对于服务器系统来说,网络性能显得尤其重要,有些服务器上为了节省成本,采用了桌面级的网络芯片,性能怎样,用这个软件一测便知了。

  以上介绍的这几款测试工具都是可以免费从网上下载的非商业软件,但是其测试结果和认可程度均是为大多数使用者所认同的。你可以根据自己的应用需求选择不同的软件进行测试。

  (二)针对应用的测试工具

  随着web应用的增多,服务器应用解决方案中以Web为核心的应用也越来越多,很多公司各种应用的架构都以web应用为主。一般的web测试和以往的应用程序的测试的侧重点不完全相同,在基本功能已经通过测试后,就要进行重要的系统性能测试了。系统的性能是一个很大的概念,覆盖面非常广泛,对一个软件系统而言包括执行效率、资源占用率、稳定性、安全性、兼容性、可靠性等等,以下重点从负载压力方面来介绍服务器系统性能的测试。系统的负载和压力需要采用负载测试工具进行,虚拟一定数量的用户来测试系统的表现,看是否满足预期的设计指标要求。负载测试的目标是测试当负载逐渐增加时,系统组成部分的相应输出项,例如通过量、响应时间、CPU负载、内存使用等如何决定系统的性能,例如稳定性和响应等。

负载测试一般使用工具完成,有LoadRunner,Webload,QALoad等,主要的内容都是编写出测试脚本,脚本中一般包括用户常用的功能,然后运行,得出报告。

  使用压力测试工具对web服务器进行压力测试。测试可以帮助找到一些大型的问题,如死机、崩损、内存泄漏等,因为有些存在内存泄漏问题的程序,在运行一两次时可能不会出现问题,但是如果运行了成千上万次,内存泄漏得越来越多,就会导致系统崩滑。

  Loadrunner:预测系统行为和性能的负载测试工具

  目前,业界中有不少能够做性能和压力测试的工具,Mercury(美科利)Interactive公司的LoadRunner是其中的佼佼者,也已经成为了行业的规范,目前最新的版本8.1。

  LoadRunner 是一种预测系统行为和性能的负载测试工具,通过模拟上千万用户实施并发负载及实时性能监测的方式来确认和查找问题,LoadRunner 能够对整个企业架构进行测试,LoadRunner 适用于各种体系架构,能支持广范的协议和技术(如Web、Ftp、Database等),能预测系统行为并优化系统性能。它通过模拟实际用户的操作行为和实行实时性能监测,来帮助您更快的查找和发现问题。Loadrunner是一个强大有力的压力测试工具,它的脚本可以录制生成,自动关联。测试场景面向指标,实现了多方监控。而且测试结果采用图表显示,可以自由拆分组合。

  通过Loadrunner的测试结果图表对比,你可以寻找出系统瓶颈的原因,一般来说可以按照服务器硬件、网络、应用程序、操作系统、中间件的顺序进行分析。

  Loadrunner是一款收费软件,根据测试项目和虚拟用户数目的不同而花费不同的费用。不过你可以下载到免费使用10天的测试版本。

  Webload:WEB性能压力测试

  webload是RadView公司推出的一个性能测试和分析工具,它让web应用程序开发者自动执行压力测试; webload通过模拟真实用户的操作,生成压力负载来测试web的性能。

  用户创建的是基于javascript的测试脚本,称为议程agenda,用它来模拟客户的行为,通过执行该脚本来衡量web应用程序在真实环境下的性能。当前最高版本是6.0。webload提供巡航控制器cruise control的功能,利用巡航控制器,可以预定义web应用程序应该满足的性能指标,然后测试系统是否满足这些需求指标; cruise control能够自动把负载加到web应用程序,并将在此负荷下能够访问程序的客户数量生成报告。

  webload能够在测试会话执行期间对监测的系统性能生成实时的报告,这些测试结果通过一个易读的图形界面显示出来,并可以导出到excel和其他文件里。

  这两个软件的功能虽然强大,并且可以自动生成测试报告,但其终究是一个工具,如果你想真正的定位服务器性能的好坏和性能的瓶颈所在,需要使用工具的人对于测试软件的方方面面都要有了解,比如软件体系构架,网络拓扑,服务器硬件等知识。  

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发表于 2008/7/5 20:45:48

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创建无缝WiMax交换结构

创建无缝WiMax交换结构

技术分类: 测试与测量  通信  | 2008-06-30
Rick Nelson,EDN主编;Ron Wilson,EDN执行编辑

  一些新出现的芯片组把 WiMax 能力添加到移动 PC 和手机应用中,而实验室和生产测试仪器则在不断演变以求同步。

  要 点
  WLAN(无线局域网) 和 WiMax 应该互补而不是彼此竞争。

  ATE (自动测试设备) 生产商正在使各自具有射频能力的系统适应 WiMax 测试要求,而台式和机架安装式测试仪器生产商则在为各种元件、模块和兼容 WiMax 的电器量身制造各自的仪器。

  WiMax 标准还只是发展到了试图确保系统级互操作性的地步。

  设计师必须意识到元件和模块EVM (误差矢量幅度),以便不超过总体 EVM 预算。

  高性能 ATE 使人们在 ATE 上就能确定芯片的特性,由此顺利过渡到高批量生产测试。


  Wimax已蓄势待发,准备扩大在 PC 联网和手机通信领域的覆盖范围。半导体生产商在推广 WiMax 芯片组,而测试设备厂商则在提供芯片组和相关产品的测试所需的实验室仪器和生产 ATE 系统。WiMax 有望作为一种 PC 联网技术,也有潜力成为蜂窝通信技术(见附文《WiMax 市场与机遇》)。Aeroflex(艾法斯)公司的 Paul Argent 预计 WiMax 最初将把宽带无线访问能力带给笔记本电脑,尽管 WiMax 论坛成员认为,WiMax 是一种有多种应用的技术,其中包括蜂窝电话。他说,未来两年,WiMax 将主要为咖啡店和行驶车辆中的 PC 提供高速数据访问能力。

  安捷伦公司 WiMax 业务团队负责人 Jennifer Stark 提醒说,不应该把 WiMax 看作是其它宽带无线访问技术的替代品。她按距离给无线技术分类——工作距离为 10m 以下的个人区域网,比如 UWB 和蓝牙;工作距离为 100m 以下的 WLAN;工作距离3英里至10 英里以上的 WiMax。至于 WiMax 与 WLAN 的竞争,她预计它们更多可能是互补,电器会根据客观条件,建立最有效的连接。例如她说,如果乘坐速度为 50mph 的列车,那么 WiMax 将是首选;如果处于静止情况,那么 WLAN 也许是最佳选择。

  WiMax 芯片测试

  为了测试批量生产的 WiMax 芯片,ATE(自动测试设备)生产商正在使具有射频能力的系统适应WiMax测试要求,而台式和机架安装式测试仪器生产商则在为各种元件、模块和兼容WiMax的电器量身制造各自的仪器。这些厂商还在应对服务提供商的测试需要,后者将安装和维护 WiMax 基础设施。Verigy 公司业务开发工程师 Adam Smith 说,WiMax 测试代表了从 WLAN 测试迈出的革命性的一步,因为在设计师努力把越来越多的特性装进更紧密的空间中时,WiMax 提出了更严格的要求。他说:“从测试设备角度看,设备需要具有很好的噪声性能,需要很灵敏。”安捷伦的 Stark 补充说,WiMax 的底层 OFDM(正交频分复用)方案导致了很高的“峰值对平均值”功率水平,由此使用非常准确的功率放大器测量变得很重要。
WiMax 芯片测试给芯片设计师和测试工程师带来了一些有启示作用的问题。一方面,要使 WiMax 被广为接受,测试成本(包括为支持测试而花费的芯片系统开销)就必须尽可能低。Smith 说,有人最终希望在 99 美元的移动设备中安装 WiMax 功能。另一方面,若干因素妨碍了快速全面的测试程序。WiMax 标准尚不成熟。更重要的是,这些标准还只是发展到了试图确保系统级互操作性的地步。它们对实现途径,以及实现过程中的功能块之间的信号传递均未提出要求。更麻烦的是,人们可能会发现自己无法访问功能块之间的信号。Teradyne 公司高级产品技术专家 Ken Harvey 指出,随着 WiMax 芯片集成度日益提高,人们将发现自己也许无法直接访问I(相位)和Q(正交)信号。他说:“人们将从射频直接到比特。”

  由于没有标准规定由什么设备测试射频混频器和 ADC 之间的信号,或测试对这些信号的访问,因此人们将必须依靠系统级要求,比如被分辨信号的 EVM、数据流的误码率。安捷伦的 Stark 详细说明了这一点。她把 WiMax 市场划分成四个细分市场:芯片和元件、模块(有时被芯片生产商的参考设计代替)、电器、服务提供商。她也认为:EVM 是一个需要在电器级做测量的系统级规格,但提醒说,设计师必须意识到功率放大器等的元件和模块 EVM,以便不超过总体 EVM 预算。她说,测试最终将起关键作用,这是因为厂商在努力把 WiMax 功能放入有严格约束的电器中时,试图在特性、射频性能和功耗方面区分自己的元件。Stark 指出,幸运的是,WiMax 电器厂商将不会创造人们从未见过的全新设备。她说,WiMax 的使用案例是把它添加到目前供应的设备中,比如笔记本电脑、PDA、手机。
但是,系统(无论多熟悉)达到充分的系统级性能标准的方式各有不同,这取决于基带软件、系统设计,以及该系统的预定工作环境。因此,对于 WiMax 芯片,在它的系统性能规范和可测试行为之间没有直截了当的转换。

  不过,某些功能块中的测试问题比另一些会更容易。例如,从测试角度看,数字基带只不过是另一种快速信号处理器。英特尔公司工程发言人说:“WiMax 芯片与我们在英特尔执行的其它任何单片系统 (SoC) 测试没有很大区别。这种零件通过了英特尔严格的产品可靠性和质量鉴定指导原则,包括多种温度、环境、电源变化条件下的晶圆测试、静电放电 (ESD) 应力、老化、模拟/混合信号测试。WiMax 芯片可使用SoC设计中常见的相同DFT ( 面向测试的设计) 技巧和硬件结构,比如实速扫描、ATPG (测试模式自动生成),以及逻辑和存储器BIST (内置自测)。测试流程还包括对多个测试批次(skew lots)以及正常芯片批次的封装质量鉴定和芯片性能测试。”

  基带芯片是一种专门的但依然可编程的信号处理器。它要么在正确工作,要么不在。设计师必须根据应用来调整软件,而这个挑战并非测试问题。

  模拟领域

  如果与射频芯片厂商攀谈,则会得到不同见解。在数字领域,芯片变化不会改变设备的性能,除非它们变得很严重,使电路断路。在射频和模拟领域,芯片内的变化就等于芯片性能的变化。正如业内一句老话所说,你测试的是数字电路,但你描述的却是模拟电路的特性。这一特点改变了测试工程师必须对 WiMax 等新兴技术采取的方法。

  模拟器件公司 WiMax 芯片项目业务总监 Tom Gratzek 说:“WiMax 目前无处不在。存在不同频带、不同带宽要求、不同基带滤波方案。每个人都有自己的方法。”该公司提供 WiMax 前端芯片,包括射频级、混频器、ADCDAC、一些数字滤波器。Gratzek 说,模拟器件公司测试芯片数字部分的方式与它对其它任何数字电路的方式相同:借助基于扫描的 BIST。但在这之后,事情更复杂了。

  他说:“我们必须检查模拟信号链,看看有无缺陷。这本身就需要数百毫秒的测试时间。这之后,我们发现的唯一预测芯片将如何在客户的系统中工作的方法,就是以实速对芯片做模拟。”他解释说,这项测试并非完全的特性描述。这个测试计划算是一个巧妙的折中,公司把以下因素作为它的基础:工程实验室中对测试批次的完全特性描述、测试工程师用几次测试完美地检查诸多自由度的能力、来自公司那些从事客户设计的应用工程师的持续反馈。模拟器件公司用 2GHz、3GHz以及 4.9GHz 至5.9GHz 频带测试信号驱动接收器,并用相应的数字矢量驱动发射器。Gratzek 说:“我们扫掠每个频带的三个频率。遗憾的是,这个方法迫使我们使用大型主机射频测试仪,而这增加了数秒测试时间。”

  这种方法并不独特。英飞凌公司的工程师报告说,他们一般也是实速模拟自己的 WiMax 芯片。他们在 4 MHz 利用 3.5 MHz 带宽信号的标准 64-QAM Rate 2/3 作为起点。但是英飞凌看到宽带视频应用客户的压力日益增加,他们需要把带宽扩大到10 MHz甚至20 MHz,由此导致了下至芯片、上至测试计划的变化。

  但是,即使转向大型主机射频 ATE,这也并非解决方案的全部。Gratzek 说,模拟器件公司已用一些定制的频谱分析设备增强了其测试仪本已很难应付的硬件。这些设备还在芯片和受测设备卡中集成了一些专有的设计特性,以便扩大覆盖范围并缩短测试时间。这使测试团队能为接收器等的端到端测试做扫频,由此把天线输入驱动到低噪声放大器 (LNA),并分析来自 ADC 的输出流,以便确定 EVM 和噪声系数。

  这些最重要的数字向公司提供了晶粒是否合格及更多其他信息。例如,工程师能从端到端测试推断 ADC 的信噪比 (SNR) 和线性。而且测试团队甚至能提取更多详细信息,这是因为射频设计的数字可配置性程度很高。Gratzek 说:“我们能人工控制自动增益控制环,而且我们在测试期间就是这么做的。我们还能把数字滤波器从链的输出端拔出,来检验原始数字数据。并且我们还能强制设置模拟滤波器的某些特性,逐步检查 LNA 的增益设置等等。”这种方法使测试团队能在依然开展生产测试的同时,在必要时从端到端测试转向近乎诊断水平的检查。

 这种灵活性迟早有用。Gratzek 说:“我们正在向客户提供各种评估板的WiMax芯片,他们也用许多方式使用这些芯片。我们的应用工程师把使用数据反馈给测试团队,并且我们也努力调整测试预期客户应用的灵敏度。例如,许多客户改变滤波器设置获得他们想要的关于某种板或天线构造的 EVM。我们会努力根据这种构造来调整。”这种方法意味着应用支持团队在测试区为开发工作留出了时间。

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发表于 2008/7/5 20:44:47

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WavePro 700Zi系列数字示波器提供综合性能

WavePro 700Zi系列数字示波器提供综合性能

 

  与传统数字示波器相比,WavePro 700Zi系列在处理长记录时速度提高了10倍~20倍。X-Stream II 的核心部分采用了Intel Core 2 Quad 处理器、高速数据总线、64位操作系统及高达8 GB的RAM。

  日前,力科公司WavePro示波器家族增添了新成员WavePro 700Zi系列示波器,该系列示波器采用了力科独有的X-Stream II 快速吞吐量流式结构,这种结构凭借可变波形段长度的操作方式,改善了CPU高速缓存的效率,与传统数字示波器相比,WavePro 700Zi系列在处理长记录时速度提高了10倍~20倍。X-Stream II 的核心部分采用了Intel Core 2 Quad 处理器、高速数据总线、64位操作系统及高达8 GB的RAM。

  WavePro 700Zi包含许多新功能,如SMART触发、200ps脉宽触发和80位/3.125 Gb/s高速串行码型触发和TriggerScan快速查看工具等。TriggerScan每秒可以检测和捕获更多的异常事件,它使用高速触发硬件,检测不想要的行为,然后在余辉模式下捕获和显示这些行为,进行额外的分析。力科公司副总裁Peter J. Pupalaikis介绍说:“TriggerScan操作模式只捕获感兴趣的信号,对于一个100万次发生一次的事件,仅需约4分钟即可发现偶发事件”。此外,在更长的捕获时间或更高的采样率下,其检测和捕获功能几乎没有劣化。TriggerScan设置起来非常简便,可以调用预先定义或用户自定义的成套边沿触发、SMART触发或串行触发设置(最多100个)。TriggerScan以用户自定义的驻留时间迅速顺序通过各个触发,显示满足触发条件的任何异常信号。此外,TriggerScan在较长的采集时也非常高效,因此可以更快地在事件之间建立关系。

  WavePro 700Zi标配了测量、数学运算、绘图、统计、频率分析、模板测试和其它工具。X-Stream II快速吞吐量流式结构提供了最快的示波器 FFT计算时间,在频域中实现了更高的频率分辨率和更深入的洞察力,无需花费更多的时间。一种称为WPZi-SPECTRUM的新选项为测量功率密度、实数、虚数和幅度平方FFT类型提供了额外的频谱分析功能。它还包括多种控制功能,仿真频谱分析仪的大部分行为,如解析带宽、中心频率和跨度。参数数学运算提供了示波器中最快速、最准确的计算功能,达到每秒75万次测量。可以由任意两个标准参数或自定义参数加减乘除参数。八个数学/缩放函数提供了综合数学运算功能。WavePro 700Zi还配有其它工具,如Tracks、趋势、直方图和数字滤波器。此外,用户在使用WavePro 700Zi时可自定义高级定制功能。量身定制功能允许用户在示波器菜单中直接编辑源代码,把第三方软件工具完美地集成到示波器中。通过扩大分析功能,包括MATLAB、Visual basic、C++和Excel等软件工具,WavePro 700Zi提供了市场上最深入的分析能力。

  WavePro 700Zi示波器的硬件设计同时包含50Ω和1 MΩ输入功能,这是唯一在1.5GHz和6GHz时内置1 MΩ输入功能的示波器。集成式输入端子无需购买昂贵的附加适配器,在WavePro 700Zi系列上可以使用任何力科探头。在1.5GHz~3.5GHz仪器上,在同一输入上可以切换低阻抗和高阻抗。在4 GHz和6 GHz仪器上,同时提供了ProBus和ProLink输入类型。对需要探测各种低速信号和高速信号的设计工程师来说,这是一个明显优势。

  WavePro 700Zi示波器包括1.5GHz, 2.5GHz, 3.5GHz, 4GHz和6GHz带宽等系列,带有15.3”WXGA显示器和触摸屏,用户可以选配第二个集成显示器,显示各种示波器功能,如强大的运算链编辑器或LabNotebook文件管理工具。LSIB解决方案可以直接连接示波器中的PCI Express X4高速数据总线,对100 Mpts或更长的记录,其离线数据传送速度高达500 Mpts/s。

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发表于 2008/7/5 20:38:49

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基于无线传感器网络轴温探测系统的设计

基于无线传感器网络轴温探测系统的设计

技术分类: 测试与测量  | 2008-07-04
现代电子技术 | 作者:张矢 温阳 邵汝峰 张彪 徐晓辉

  铁路列车在高速运行过程中,车辆走行部分各轴承的温度会不断升高,当轴温过高时,会造成热轴、切轴等现象,严重影响铁路运输安全。现阶段我国铁路列车上主要使用两种轴温探测装置:一种是直接接触式的车载轴温探测系统;另一种是非接触式的红外轴温探测系统。前者是在轴箱部位安装温度传感器对温度进行采集,并通过电缆传送到各个车厢的控制器显示,由专门巡检人员或各车厢乘务员进行巡检。但由于货运列车车厢是无人值守的,且车厢频繁编组,不能靠有线方式传送给有人车厢,所以这种方式在货运列车中很少使用。后者是通过每隔30 km安装红外探头对轴温进行检测。这种方式由于易受外界环境影响、定位困难等原因,使得轴温过高告警兑现率低、误报率高,而且成本很高。随着无线传感器网络技术的发展,利用无线传感器网络的感知能力、计算能力和通信能力,组成对行驶中的列车轴温变化情况进行实时监控的网络,对保证列车运行安全具有重要意义。将无线传感器网络节点装在列车各车厢的特定位置,节点间以自组织的方式形成网络,可以有效实时地对车轴参数进行采集和传输。

  1 系统的结构组成介绍

  货运列车与客运列车的区别有以下几点:

  (1)客运列车车厢有固定的电力来源,因此不必考虑系统的功耗问题;货运列车车厢没有电源,所以应用在货车上的系统要求自带电源,并尽量降低系统功耗。

  (2)客车每节车厢都有列车员,可以对检测到的轴温进行监视,当发现有异常时可以通知专人负责处理;货车车厢一般都是无人值守的,因此需要将采集到的数据传输到车头,由技术人员进行处理。

  (3)客车车厢基本上是固定的,不会频繁地重新编组,因此客车可以在各车厢之间连接电力线或通信线;货车所挂各节车厢目的地可能不同,因此需要频繁变动,有时需要甩掉某节车厢,有时需要挂上新的车厢,因此在货车车厢间用有线方式通信是不可能的。

  针对目前列车轴温探测存在的问题,及以上货运列车不同于客车的特点,我们设计了基于无线传感器网络轴温探测系统,结构如图1所示。

整个系统是由固定在每个车厢上的温度采集单元和车头总控制器组成。温度采集单元称为无线传感器网络节点。系统在上电后采用自组织的方式工作,并可以随时加入或去掉某节车厢而不会影响整个系统工作(如图1所示)。此外,节点数据到车头采用的是多跳方式传输,每个节点无线发射的功率不需要太大,因此可以有效节约单个节点的能耗,平衡整个网络的能耗。

  2 无线传感器网络节点的组成

  无线传感器网络节点的结构如图2所示。

无线传感器网络节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。节点的作用是对轴温数据进行采集,并通过无线传感器网络发送到车头总控制器,同时充当其他各节点到车头总控制器的路由器。

  传感器模块负责数据的采集,在本系统中,将8路温度传感器分别安装在车厢的8个轴箱上,对轴温进行检测,并通过1-Wire总线将温度数据传送到处理器单元。

  处理器单元是节点的核心,主要负责控制数据的采集,对数据进行分析计算,并控制无线通信模块将处理好的数据通过与其连接的其他网络节点传送给车头总控制器节点。此外,处理器模块负责处理其他节点发来的数据,并按照规则进行转发。

  无线通信模块负责数据的接收与发送,本设计采用nRF905模块。nRF905是一款工作在433/868/915 MHz的单片无线射频收发芯片,由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。他采用高抗干扰GFSK调制,数据速率90 kb/s,发射功率可调,最大为+10 dBm,独特的载波检测输出(CD)、数据就绪输出(DR)、地址匹配输出(AM),自动产生前导码和CRC,使用SPI接口与微处理器通信,配置非常方便。此外,nRF905的工作电压范围为1.9~3.6 V,其电流消耗很低,发射电流约为11 mA(-10 dBm输出),接收电流约为12.5 mA,待机电流约为2 μA,能够满足系统高性能低功耗的需要。

  能量供应模块是系统工作的前提,由于货车不像客车一样具备稳定的供电电源,所以本设计采用电池供电,在低功耗设计的基础上,使用两节5号碱性电池可持续工作1年左右。

  我们在为每节车厢设计节点时,将节点的硬件编号设定为车厢的编号,这样就使节点与车厢形成一一对应的关系,无论在何时何地系统在上电自组的时候都可以自动地识别该车厢,极大地方便了车厢的管理。

  3 系统的硬件介绍

  系统框图如图3所示。

温度传感器采用的是DS18B20,该传感器是美国Dallas公司生产的一款集成数字温度传感器,他与传统的热敏电阻温度传感器不同,能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式,可以分别在93.75 ms和750 ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。因而使用。DS18B20可使系统结构更简单、可靠性更高。同时芯片的耗电量很小,从总线上获取少量电能(空闲时几μW,工作时几mW)存储在片内的电容中就可正常工作,一般不用另加电源。最主要的是传感器输出的是数字信号,可直接与单片机I/O相连,使连接非常方便。由于在单总线上传送的是数字信号,这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。

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发表于 2008/7/5 20:37:02

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对噪声增益作斩波以实时测量运放失调电压

对噪声增益作斩波以实时测量运放失调电压

 

  运算放大器的一个最重要的指标就是它的输入失调电压。对很多运放可以忽略这个电压,但问题是:失调电压会随着温度、闪烁噪声和长期漂移而改变。斩波与自动调零技术已经出现多年,它们能够将输入失调电压减小到微伏以下。这种技术的精度非常好,甚至会让其它微小影响占据误差的主要地位,如铜焊盘的热偶节点,直到它们也被一一克服。本设计实例介绍了一种新型斩波技术。“噪声增益的斩波”是一种实时测量失调电压的简单方法,这样就可以将其减除,从而提高DC精度。

  图1是一个搭成反相10倍增益结构的LTC6240HV运放,也包括了它的一些相应规格。所有输入失调电压都在输出端表示为11倍增益(称为“噪声增益”)的输出误差。任何下游电路或输出电压的观测者都无法将所需输出信号与输出误差区别开来。

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图2表示了噪声增益的斩波方法。S1用于附带分流电阻R3的进出切换,从而在不影响信号增益或带宽时改变噪声增益。通常情况下带宽会有些下降,但无论开关处于闭合或打开状态,带宽极限都由C1决定。现在向输出端施加一个小方波,其幅度等于现有的DC误差。可以用一个普通的斩波器解调出误差,也可以在一个现代的ADC系统中用软件减掉它。
图2电路更像一个输入同时连接和断接的简单求和放大器。这个意义上,它更像一个真正的斩波放大器。但此时,被斩波的输入电压是放大器的失调电压,而不是输入信号。如果没有必要为什么要断开输入信号呢?另外也不存在连续斩波的要求,只需在有失调测量需求时用它即可。
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注意,虽然本设计实例给出了易于理解的反相例子,但S1使用一种好的模拟开关时,也适用于非反相的方法。另外与所有采样系统一样,大于等于时钟速率的频率都会潜入基带中,因此要在斩波前将其滤掉。最后,本方法并不会修正偏置或泄漏电流导致的误差。

  开关S1打开和关闭,提高噪声增益,并交替地以11和22的噪声增益使输入误差出现在输出端。得到的方波是一个容易测 量的“11误差”,这样就可以从输出上将其减掉。这种技巧类似于普通的斩波放大器,不同之处是斩波对象是误差,而不是信号。

  图3是图2电路的输出波形,输入电压为0V(接地)。上方的曲线是“S”,它是以750Hz加在S1上的控制信号。下方曲线是在1mV、2mV之间交替的输出误差,表示90mV的运放失调。输出端“看到”的是输出失调噪声增益加倍的结果。两个噪声增益的差为11,这个差值表示S1所造成的方波波幅,它与输入电压无关。

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图4与图3类似,但被缩小,输入电压为2mV峰峰值的慢速正弦波,即输出为20mV峰峰值。图3的1mV方波叠加在慢速的输出信号上,并且仍然包含实时的DC错误信息。只要看看输出就可以辨别出信号的实际值低于测量值1mV。
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发表于 2008/7/5 20:34:40

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在PSpice中仿真数字滤波器的传输线

在PSpice中仿真数字滤波器的传输线

 

  设计人员使用Pspice时主要是仿真模拟电路。不过,用它也可以仿真数字滤波器。一个数字滤波器中的主要部件是延时元件、加法器和乘法器。加法器和乘法器可以用运算放大器来实现,延时元件可以用一根传输线来仿真。PSpice中的传输线是一种已被遗忘很久的元件,它可以实现数秒的延迟。

例如,图1给出了一个二阶的回归数字滤波器。该滤波器的传递函数是:

公式1

其中,H(z)是数字滤波器的传递函数,z是z变换变量,而Ai是传递函数分母上多项式的系数,Bi是传递函数分子上多项式的系数。用滤波器设计软件可以得到这些系数值(参考文献1)。采样频率fS与传输线延迟的关系是t=1/fS。例如,一个带通数字滤波器有900Hz到1kHz的3dB通带,采样频率为6kHz,Butterworth特性分析可得下列传递函数:

公式2

  此时,传输线的延迟为1/6000 =166.67ms。如果为传输线额外设定1Ω阻抗的Z,则传输线的参数为Z0=1Ω,和t=166.67ms。图2是PSpice电路。VCVS(压控电压源)E1和E2仿真电压跟随器,而VCVS E3和E4和与它们相连的电阻则仿真加法器。图3是仿真的结果。

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参考文献
  1. Lez,DavidBz,“WindowsBasedFilterDesignwithWinfilters,”IEEECircuitsandDevices,Volume13,1997,pg3.

 

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发表于 2008/7/5 20:32:09

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函数信号发生器的基本知识

函数信号发生器的基本知识

技术分类: 测试与测量  | 2008-07-01
EEFOCUS

  使用一个激发装置(即信号源)来激励一个系统,以便观察、分析它对激励信号的反映如何,这是电子测试技术的标准实验之一。在设计、制造飞机时,需要事先了解机体及其有关设备在各种气流、雷击、雨水、温变干扰下的反映情况;在发展冶炼技术时,需要了解炉内物态随炉脸温度燃油器喷口温度而变化的动态过程;在分析一个电子线路时,常常需要了解输出信号频率及振幅与输入信号频率及振幅之间的关系。这样,在进行上述过程的硬件或软件的模拟实验时.就需要人为地产生各种模仿的信号。系统在这些模仿的信号的激励下产生各种反应,因此,称它们为激励信号。产生这些信号的仪器设备称为信号源。
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信号源包括函数信号发生器、脉冲信号发生器、音频信号发生器、任意波形信号发生器以及扫描频率发生器等多种设备,用于各种各样的工程测试。图11.1所示的产品系列树反映出信号源之间的关系,其中直接数字器件合成(DDS)是一种较新的技术,它利用了最现代化的数字器件的能力,成为系列产品的主干,发展出函数发生器相任意波形发生器这样高水平的产品。
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基本的函数发生器提供正弦波、方波和三角波,频率范围在1MHz到约50MHz之

间。图11.2显示的是一个包含两个运算放大器的基本函数发生器。器件A1是一个积分器,它提供一个三角波输出信号,它所产生的三角波信号通过正弦波形成电路而产生正弦波信号输出。器件A2是一个电压比较器,它产生一个方波信号。大多数普通价格的函数发生器都以一些单片式集成电路(IC)为基础,并能提供正弦波、方波和三角波。价格较高者则能提供触发信号*只有较宽的频率范围祁较稳定的频率.具有可变的上升时间(对方波而言)和可变的直流补偿.具有较高的频率准确度和较强的输出驱动能力,旦波形失真度小。
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函数发生器在输出保真和方波上升沿方面性能的提高,依赖于两类相关的信号发生器的支持:低失真、低频率函数发生器和脉冲发生器。经优化的低失真信号源常用于信号保真要求很高的地方,高性能音频系统就是最明显的例子。用阻容积分器获得不同波形的基本原理是:先以一个恒定的电流源向电容充电,然后用另一个恒定的电流源使它放电。这一技术实现了三角波发生器的输出信号斜率的线性。输出信号的频率是通过选择电容的范围和充电电流来确定的,这一电流又取决子对输入电压的控制,而输入电压则通过频率调谐设置和扫描电路输入来控制。图11.3是一个函数发生器的简化框图。
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有一类函数发生器具有对频率信号进行扫描的能力,叫做扫描震荡发生器。他们能产生一个缓慢变化的斜坡,这一斜坡反过来作用于包括被控制的电流源的元件上,使得被控制的电流源的主振频在扫描模块所给定的始末时刻之间变化(图11.4)。
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这种在函数发生器中具有积分电容器且由开关控制电源的方法可进一步发展为使月独市的可调频率发生器,它可以方便地调制输出AM/FM/Ext则频率范围。更进一步地,采用一个A/D转换器和存储器来配合实现输出函数的幅度和频率显示。在使用开关积分器的条件下,频率稳定性可达到±2%。若需更进一步提高稳定性,则可使用品体(振荡)控制器和PLL(锁相环路)模块。

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发表于 2008/7/1 22:49:38

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全球通用测试测量市场趋势分析

全球通用测试测量市场趋势分析

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根据测试测量世界(www.tmworld.com )与Frost & Sullivan的联合调查,全球通用仪器市场的大部分份额仍然由示波器、频谱分析仪、信号发生器、万用表四种仪器把持。如图(1)所示四种仪器所占份额依次为33.7%17.3%,16.3%,13.1%。个人认为,频谱分析仪之所以会占到如此多的市场份额,与今年来无线通信技术的发展密不可分。在宽带接入的最后一英里的争夺战中,众多标准同台竞技,给频谱分析仪市场带来了丰富的想象空间。此外,RFID技术的广泛应用也促进了在一定程度上促进了市场对频谱仪的需求。个人认为这个比例是比较客观的。

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从研究报告可以看出,在未来的4里,示波器将成为全球通用测量市场的增长最强劲的产品。从全球市场看,示波器的核心技术主要掌握在美国和日本厂商手中。在集成电路飞速发展的时代美国和日本逐渐分道扬镳。美国的示波器技术以高带宽,高采样率,高集成度的数字示波器为代表。而日本在将模拟示波器发扬光大的同时也有部分厂商转战数字示波器。目前全球的示波器厂商中,只有日本仍让坚持发展模拟示波器技术。但是高昂的成本和市场价格,使很多政府和企业客户转向数字示波器技术。在伴随集成电路技术发展的过程中产生了很多新的专利,如余辉扫描、多色显示技术、数字存储技术。随着美国NI等基于PC的虚拟仪器厂商的加入,示波器的发展又将出现一个新的方向。模块化仪器以其高度的灵活性和用户自定义功能受到越来越多中小型客

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市场驱动力分析

  • 防御产生的需求
  • 亚洲太平洋地区市场驱动全球市场增长(中国、印度、韩国、台湾)
  • 通信和IT行业技术发展点燃通用测试测量市场需求(WiFi、PCI2.0express、WiMax、3G/4G、高速率数字,无线视频传输等等)
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  • 市场潜在阻力分析

    • 二手仪器仍然影响到新仪器的销售
    • 亚洲太平洋市场价格压力使收益有所下挫
    • 多重标准迫使仪器供应商准确、迅速定位目标市场(WiFi,WiMax, ISDN, GSM, 3G 4G, HSUPA,HSDPA, various Video Compression schemes…)
    • 综合测试系统需求挤压通用测试测量市场
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发表于 2008/7/1 22:46:34

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中国半导体产能不可能大规模扩张

莫大康——亲历50年中国半导体产业发展历程的著名学者、行业评论家。 

    1958-1963 浙江大学半导体专业 

    1963-1987 中国科学院微电子所     计划处长 

    1987-1995 中科院东方科技公司     总经理 

    1995-2002 美国应用材料公司(中国) 技术服务总监 

    2002-至今 应用材料公司           顾问
              安邦咨询公司           顾问
              电子产品世界           编委
              半导体科技             顾问


    曾在各种报刊,杂志上发表文章100篇以上如:近期有台湾存储器业的梦;全球12英寸生产线的进展;全球代工竞争力分析;工业变革时代谁将真正受益等。 
   

       最近,美国半导体设备及材料协会(SEMI)的一篇报道称,由于IC(集成电路)需求迅速增加,中国将在今后4年(至2008年)建造20个新的半导体工厂。国内各种媒体纷纷转载这条消息,国人也备受鼓舞。然而,从市场需求及资金来源等分析,笔者觉得可能性不大。

  事实上,SEMI这一预测与另一个国际著名半导体产业研究机构iSuppli的预测大相径庭。6月14日,iSuppli在“电子新闻”的《中国代工业将面临缓慢增长》一文中称,如果以10.3%的年平均增长率计算,中国2008年IC代工业销售额将为33.6亿美元,与2004年的23.1亿美元相比,差值约为10.5亿美元。假设这一部分增量全部由新建芯片生产线来完成(实际上现有的芯片生产线也有扩容能力),顶多需要7条8英寸生产线便能实现。

  另一方面,中国半导体产业发展的主要瓶颈———资金将让20个工厂的设想成为泡影。

  通常认为,如果建一条8英寸芯片生产线,月产能2万~3万片,至少要投资10亿美元,如果采用旧设备,资金量可减为1.5亿美元。建一条6英寸芯片生产线(旧设备),投资至少需要3000万美元;如果是12英寸芯片生产线,投资要在15亿美元以上。

  资金从何而来?通常的方式是国家入股、银行借贷及IPO(首次公开招股)上市。从中国目前的状况看,国家入股的可能性小,更大的可能是银行借贷及IPO。

  IPO是国际高新科技产业资金来源的主渠道,大多数国外半导体大型工厂是依靠这一渠道成长的,但中国有其特殊性。尽管部分企业能够在内地A股上市,但融资额太少,仅1亿~2亿元人民币,可谓杯水车薪。如在中国香港或美国上市,难度较大。已经上市的中芯公司与无锡上华的股票价格一直低迷,成交量非常小。

  这也是华虹NEC、上海先进等国内著名半导体公司持续观望的理由。

  即便上市公司能够顺利融资,也未必能够支撑久远。因为,比融资更为重要的是,企业如何实现持续赢利,并给予投资者合理回报。

  至于银行,除了目前利率高,贷款也难拿到。国内银行自身正在酝酿上市,对于风险的考虑远比以往谨慎。而对国外银行来说,中国半导体公司似乎还未曾获得过它们的贷款。以中芯为例,半年过去了,美国进出口银行至今仍未解除对其贷款计划的无限期搁置。

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发表于 2008/7/1 22:37:39

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测试技术需要开放的通用软硬件平台

测试技术需要开放的通用软硬件平台
          
NI技术市场经理 朱君

汽车电子的市场趋势是待测的汽车电子产品趋于多功能汇集,因而它的测试任务和要求也日渐复杂。目前的车载信息系统具有诸如CD-ROM、DVD、手机、定位导航、卫星汽车警报等特性,对于这样一个复杂系统,它的测试测量解决方案也要具备多种功能,包括数据采集、视觉、运动等等。

在这一趋势下,集成和自定义就更加重要,一个开放的、通用的软硬件平台就成为一种必备的技术。通过这样的平台,测试工程师就可以集成多种测试功能,为今后的应用需求预先完成扩展的准备。

   针对此种趋势,NI也做好了准备。NI可为汽车领域用户提供的是一个通用、开放的测试测量平台,包括软件和硬件平台两方面。软件平台包括NI LabVIEW图形化开发环境,LabVIEW是NI最为著名的图形化开发环境,最新推出的LabVIEW 7.1是NI多年的研发结晶。在LabVIEW平台基础上,NI还有测试管理软件TestStand和交互式数据分析及报告生成软件DIAdem。因为LabVIEW可以用来对IEEE P1451.1 TEDS传感器、FPGA、PDA、分布式I/O、工控机、PXI工作平台、Open Windows示波器等进行编程,所以它是一个必备的、用于集成的编程软件。通过LabVIEW这一开放的软件平台,工程师们可以轻松地集成他们所需的测控硬件,完成自定义的解决方案。

   PXI是NI主推的一种标准的硬件平台,NI提供各种PXI模块化仪器,包括数据采集、运动控制、机器视觉、DSA和CAN总线控制等等。PXI提供了一种全新的混合解决方案,从而可确保用户现有的投资,比如它可以通过MXI与VXI设备连接,或者通过GPIB与传统仪器连接,用户可以根据自己特定的需求,选择相应的模块化仪器。

   因NI提供的是一个通用的软硬件平台及其相关工具,所以在某些特定的领域NI主要通过系统联盟商为用户完成集成的解决方案。NI目前在全球共有近400家系统联盟商。在中国本地市场,上海聚星仪器有限公司负责为中国地区的用户提供完整的测试测量系统。

   从实际的应用中来看,NI DSA产品在汽车音响测试方面具有独特的优势;NI还有不同的总线模块,例如CAN、I2C等,甚至在通讯测试中,数据采集和CAN可以达到同步。

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发表于 2008/7/1 22:36:54

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新方法改进了制造测试中激光二极管的检测

新方法改进了制造测试中激光二极管的检测
         
电信用高功率激光二极管的检测存在一些误差源。这些误差源包括耦合高电流脉冲、光探测器耦合、探测器本身的慢速响应和误差。处理好这些问题,就可以缩短测试时间、提高测试的准确性,降低不合格率。        LIV曲线  激光二极管的基本检测是光-电流-电压(LIV)曲线,即同时测量电和光的输出功率特性。这种测试可以在生产的任何阶段进行,但首先用于激光二极管的挑选,即提前排除坏的二极管。  对被测器件进行电流扫描,记录每一步扫描的电压,同时,使用仪表监测光输出功率。这个测试最好以脉冲方式在生产初期,在激光二极管被装进模块之前进行。此时,二极管仍处于原始状态,脉冲检测是必要的,因为此时组件没有温度控制电路。如果用直流电测试,至少会改变它们的特性,最坏会将它们损坏。在随后的生产中,当它们被安装在有温度控制的模块中时,可用直流电进行测试,结果可与脉冲测试对比。另外,一些二极管能通过直流测试但不能通过脉冲测试。  分析LIV测试数据可以确定激光器的特性,包括产生激光的临界电流、量子效率和输出的非线性特性(图1)。       检测激光二极管需要一个恰当形式的电流脉冲。它应尽快地达到满电流状态,并保持足够长时间的平稳,以确保结果的准确。在最初阶段的测试中,一般使用宽度为0.5ms到1ms的脉冲。电流变化范围从几十毫安到5安培。                                                                                       图一       阻抗匹配  要传递高速电流脉冲给激光二极管,同时要避免反射问题,一般认为可以选用传输线——例如一段同轴电缆。但最常用的那种同轴电缆有50Ω的阻抗,而二极管的阻抗大约为2Ω,很不匹配。尽管可以串联一个48Ω的电阻,但这样将产生新的问题;50Ω的系统通过5A电流将需要250V的电压,这对于人和设备都是十分危险的。此外,由于激光器的动态电阻随电流增大而减少,所以测试条件随测试进程而改变。  使用低阻抗同轴电缆可能是一个有效的解决办法,但这样做会改变激光二极管的动态电阻。另外一个办法是:用两根10Ω的同轴电缆连接激光二极管,在电缆两端施加脉冲电流(图2)。这样,对二极管施加小于10V的电压就可产生5A电流。因为系统有电流源,避免了二极管动态电阻改变带来的问题。  即使最仔细地对阻抗进行匹配,也不可能完美,因此使用尽可能短的传输线是很实际的方法。这也是为了将连接激光二极管的回路面积减少到最小。                                                                                              图二       电测量  在激光二极管上加上高速脉冲时,测量它的电压和电流不太容易。用阴极射线管探测器来测量电压也会引发问题,其中一个问题是如何接地。探测器的频率范围必须达到1GHz。  电流测量就简单一点。用一个低值电阻器(阻值低于激光二极管的电阻)与二极管串联就能进行测量,但要求电阻器的电容和电感系数很低。绕线电阻器有电感损耗,所以不适于高频测试。       选择光探测器  现有三种常用探测器材料:硅、锗和铟镓砷(InGaAs),每一种有它自己的优点和缺点。如图3所示,探测器的选择很大程度上取决于它所适应的波长。当波长小于800nm时,硅是唯一的选择。但电信领域中常用的波长在1300nm到1700nm之间,这时铟镓砷是最好的,因为它的响应特性在此区间非常平稳。然而,铟镓砷对脉冲的响应存在问题。为避免激光二极管过热,最好用足够短的脉冲来测试,但铟镓砷探测器却需要足够长的时间来达到某种稳定状态。  如图4所示,即使在10微秒脉冲内,铟镓砷探测器也很不稳定。如果脉冲宽度减少到1微秒,这问题将会更严重。锗探测器不存在这种问题,所以它更适用于短脉冲。                                                                                    图三                                                                                          图四       探测器耦合  有几种方法可以将激光二极管的输出耦合到探测器。一种方法是将激光直接打到探测器上,但这种方法有几个缺点。其一,不能保证所有的光都照射到探测器上。例如,发射光束的截面是椭圆形的,或者光束的直径大于探测器的有效接收区域,再或者发射光束没有对准探测器,这些都会导致一部分光丢失。其二,一些探测器对偏振敏感,这将引发更多的错误。其三,一些高功率激光二极管的输出会使许多探测器达到饱和而失效。  积分球通常是最佳的解决方案,它是一个中空的球体,内表面涂有高反射材料,有两个端口,一端固定在探测器上,另一端用来输入被测光(图5)。积分球能接收从光源发出的所有的光,经散射将光均匀分布在内表面上,安装在积分球侧面的探测器能“看到”输入光的一个固定比例(大约1%)。这样既可以算出全部入射光的功率,还可以测量很高功率的光,而不必担心探测器被损坏。                                                                                        图五       检测速度  曾经有段时间,光纤通信设备的需求超过供给,生产商的效率成了次要的问题。然而,今天检测工作也必须像其它事情一样快速、准确和便宜。这表明光功率计不是好的选择,这种仪器的检测时间过长。  为避免这个问题,标准的做法是使用一套仪器,包括脉冲源、光测量部件(光敏二极管探测器等)、一对高速电流电压转换器和一个高速多信道数字取样示波器(DSO)。脉冲源产生脉冲,其它仪器测量电学和光学响应。  这一过程可能需要几千个脉冲。有时候每一个电平就有几百个脉冲。这样看起来是提高了灵敏度、准确度和精确度,但掩盖了波形扭曲的问题。这也是一个漫长的过程,每个被测设备要花费几十秒到几分钟的时间。这套系统每天大约能测2500个零件,每套检测设备大约花费15万美元。  更新的办法是在一个单一仪器中包括所有功能。这种仪器本质上是一个脉冲源测量单元,其输出阻抗和电缆与激光二极管的阻抗十分匹配。系统的测量部分将多通道数据采集、专门的定时电路、高速电流电压转换器和数字信号处理器(DSP)整合为一体,数字信号处理器仿效DSO的功能并控制测量程序。  這種儀器按照GPIB總線給定的檢測順序,由內部的DSP進行編程,決定LIV掃描的先後順序。一旦完成編程,就不需要其它設備的指令或計算機控制,數字信號處理器將獨自執行脈衝的LIV掃描。實際上,儀器通過數字I/O端口直接給各部件提供控制信號。  通過DSP實現了對脈衝測量結果的快速分析,不再像以前那樣耗時。這樣將脈衝電流電壓檢測時間降低到了幾秒鐘,並且將軟件的複雜性降到了最低。  因單台檢測只需幾秒鐘,即使在系統利用率只有85%的情況下,每天仍可對15000個二極管進行檢測。購買這樣的系統只需花費原來價格的一小部分,但帶來了更高的生產能力。  這類系統可設計成脈衝和非脈衝兩種模式。兩種功能可在同一個平臺使用,通過同樣的檢測通道對兩種類型的LIV進行掃描。比較脈衝式和非脈衝式的檢測結果可為被測器件的性能提供更完全的信息。  將所有相關功能合並到一個儀器中的第3代LIV檢測系統可大大提高檢測能力。

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发表于 2008/7/1 22:34:46

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信号调理模块的功能

信号调理模块的功能
信号调理模块的功能
作者:ruanqizh…    文章来源:vihome    点击数: 533    更新时间:2008-6-15      ★★★
一. 虚拟仪器系统和信号调理模块

       虚拟仪器(Virtual Instrument)是目前测试技术界和仪器制造界十分关注的热门话题。虚拟仪器系统是一种基于计算机的自动化仪器系统,是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物。它利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相联接,以计算机为核心,充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。

    图1是一个典型的虚拟仪器测试系统,它由混合总线测量仪器及数据采集模块、专用转接及信号调理模块、被测对象三大部分组成。信号调理模块是连接前端传感器和后端数据采集设备的中间环

点击开大图

图1:虚拟仪器测试系统组成

二. 信号调理模块的功能

    对于绝大多数数据采集和控制系统来说,信号调理是非常重要的。典型的系统一般都需要信号调理硬件,用于将原始信号以及传感器的输出接口到数据采集板或模块上。通过信号调理的各种功能,如信号的放大、隔离、滤波、多路转换以及直接变送器调理等,使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大地改善。

    具体来说,信号调理模块主要具有以下几点功能:
    1. 传感器驱动:包括为无源传感器提供所需的电压源或电流源,为有源传感器提供其运转所需的特殊电路结构。下表列出了几种不同类型传感器对信号调理模块的要求:

传感器

信号调理模块

热电偶

模拟低压输入

模拟高压输入,输出

热敏电阻

模拟输入

加速计

频率至电压转换

LVDT, RVDT

电阻,多路复用器,矩阵变换电路

应变片

电阻,模拟电压输出,模拟电流输出

    2. 信号放大:为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度,我们希望输入的模拟信号的最大值刚好等于A/D转换设备输入范围。大多数传感器的输出范围在mV级,而A/D转换设备输入范围为Volt级。因此我们需要使用信号调理模块对传感器的信号放大。下表列出了信号调理模块对信号放大倍数与信噪比的关系

模拟信号幅值

信号调理模块放大倍数

噪声幅值

数据采集模块放大倍数

数字信号幅值

信噪比

只有数据采集模块放大

.01V

.001V

X100

1.1V

10

数据采集模块和信号调理模块均放大

.01V

X10

.001V

X10

1.01V

100

只有信号调理模块放大

.01V

X100

.001V

1.001V

1000

    3. 隔离 在测量高电压信号时,隔离电路可以保护你的后端设备被意外的高电压输入损坏。常用的有光隔离和磁隔离。隔离放大电路的缺点是有可能引入噪声。

    4. 信号滤波:模拟信号在数字化前必须进行低通滤波,以消除噪声和防止混叠现象。同时也可以使用信号调理模块滤除50-60Hz的工频噪声。
    5. 扩展通道数:有些信号调理模块具有多路转换器或矩阵变换电路的功能,可以把通道信号通道扩展至上千路。
    6. 其他功能:信号调理模块还可以实现信号衰减、采样同步、频率-电压的转换等功能。

三. 常用信号调理模块
    1. 目前最常使用的信号调理模块是NI公司的SCXI系列信号调理模块。

图2:信号调理系统

    SCXI(Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation) 系统是一个多用途、高性能的信号调理平台。适用于通道超过一定数量,封装条件恶劣、并且对信号调理的要求很高的应用系统。SCXI可以用作插卡式数据采集板、VXI模块或PXI模块的调理前端,还可以将它做为完整的远程数据采集系统。通过SCXI系统强大的多路能力,SCXI系统可以将多达3072路信号接入到一块数据采集板上。对于多通道、缓变的数据采集系统,如温度监测系统,SCXI是一种高可靠性的选择。


    下表是SCXI信号调理模块可以实现的功能:

SCXI系统信号调理功能

模拟输入

热电偶 Thermocouple
热电阻 RTDthermistor
应变器
Strain gauge
毫伏源
Millivolt source
电压源 Voltage Source (可达
250 Vrms)
电流源
Current Source (4-20mA)
频率输入 Frequency Input
动态信号 Dynamic Signal

模拟输出

电压、电流

数字I/O

光隔离I/O (Optically isolated I/O)

    SCXI多通道信号调理系统可以适用于以ISA、PCMCIA、PCI、PXI、VXI等为采集总线的计算机系统。您可以将SCXI做为数据采集前端,或通过并行接口与采集设备组成外挂式数据采集系统。一个SCXI系统最多可以接入十二个调理机箱,每个调理机箱中可以插入最多四个(SCXI-1000)或十二个(SCXI-1001)调理模块。各种传感器信号通过接线端子或前端接入到调理模块,经调理模块调理后的信号,则通过SCXI系统总线送入相应的数据采集设备。

    2. 另外一类较为常用的信号调理系统是SCC系统。
SCC是适用于低通道应用的便携式信号调理平台。不象SCXI一个模块同时处理一组信号,平台为每一个信号提供单独的模块。SCC平台还提供了切换开关、LED,以及BNC和LEMO等常用的连接端子。无论是SCXI,还是SCC平台都有用于测量、激励、隔离和过滤的模块。下图是SCC系统的展示图。

图3:SCC信号调理

四. 一个信号调理系统实例

下面以一个应用实例来说明如何在测试系统中选用信号调理模块和搭建信号调理系统:

    1. 系统要求:对8路温度信号进行采集,利用温度测量软件转换分析后,在显示器上显示出来,并将测量结果存储到硬盘上,以备事后分析处理。
    2. 选用信号调理模块:采用SCXI-1102B。SCXI-1102B具有32个差分输入通道,可调理各种热电偶信号、毫伏、伏、4~20mA、0~20mA的输入信号,每个通道可独立设置(1或100倍)放大倍数200Hz低通滤波,333kSa/s扫描率。
    3. 选用数据采集模块:选用PXI-6070E。PXI-6070E为一个12位多功能数据采集卡,它具有16路单端或8路差分输入通道,最高采样率为1.25MSa/s。
    4. 计算机选用:选用PXI-1010 PXI机箱以及控制器,外接显示器。PXI-1010 PXI机箱为一混合式PXI机箱,可同时插入PXI零槽控制器、7个PXI仪器模块和4个SCXI信号调理模块。
    5. 功能实现:8路温度信号经信号调理模块SCXI-1102调理后通过SCXI背板模拟总线送至数据采集模块PXI-6070E进行A/D转换,数据再由系统数据总线送至分析软件。实现分析、显示和存储功能。

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发表于 2008/7/1 22:25:51

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DSP芯片介绍

DSP芯片介绍
1 什么是DSP芯片

DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP 指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下的一些主要特点:

(1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

(2) 程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。

(3) 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

(4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

(5) 快速的中断处理和硬件I/O支持。

(6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

(7) 可以并行执行多个操作。

(8) 支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

与通用微处理器相比,DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

2 DSP芯片的发展

    世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811,1979年美国Iintel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi 公司,它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年,日本的Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns ,且具有双内部总线,从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。

    在这么多的DSP芯片种类中,最成功的是美国德克萨斯仪器公司(Texas Instruments,简称TI)的一系列产品。TI公司灾982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等,之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32,第四代DSP芯片TMS32C40/C44,第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。

    自1980年以来,DSP芯片得到了突飞猛进的发展,DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看,MAC(一次乘法和一次加法)时间已经从80年代初的400ns(如TMS32010)降低到40ns(如TMS32C40),处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下,片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看,1980年采用4μ的N沟道MOS工艺,而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增加,意味着结构灵活性的增加。此外,DSP芯片的发展,是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。

3 DSP芯片的分类

    DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。

1. 按基础特性分

    这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作,除计算速度有变化外,没有性能的下降,这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。

    如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容,则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。

2. 按数据格式分

    这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片。以浮点格式工作的称为DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样,有的DSP芯片采用自定义的浮点格式,有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

3. 按用途分

    按照DSP芯片的用途来分,可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用,如TI公司的一系列DSP芯片。专用型DSP芯片市为特定的DSP运算而设计,更适合特殊的运算,如数字滤波,卷积和FFT等。

4 DSP芯片的选择

    设计DSP应用系统,选择DSP芯片时非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。总的来说,DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说,选择DSP芯片时考虑如下诸多因素。

1. DSP芯片的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标,也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量:

(1) 指令周期。就是执行一条指令所需要的时间,通常以ns为单位。

(2) MAC时间。即一次乘法加上一次加法的时间。

(3) FFT执行时间。即运行一个N点FFT程序所需的时间。

(4) MIPS。即每秒执行百万条指令。

(5) MOPS。即每秒执行百万次操作。

(6) MFLOPS。即每秒执行百万次浮点操作。

(7) BOPS。即每秒执行十亿次操作。

2. DSP芯片的价格。根据一个价格实际的应用情况,确定一个价格适中的DSP芯片。

3. DSP芯片的硬件资源。

4. DSP芯片的运算速度。

5. DSP芯片的开发工具。

6. DSP 芯片的功耗。

7. 其它的因素,如封装的形式、质量标准、生命周期等。

    DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力多大的DSP芯片的基础。那么如何确定DSP系统的运算量以选择DSP芯片呢?

1. 按样点处理

    按样点处理就是DSP算法对每一个输入样点循环一次。例如;一个采用LMS算法的256抽头德的自适应FIR滤波器,假定每个抽头的计算需要3个MAC周期,则256抽头计算需要256*3=768个MAC周期。如果采样频率为8KHz,即样点之间的间隔为125μs的时间,DSP芯片的MAC周期为200μs,则768个周期需要153.6μs的时间,显然无法实时处理,需要选用速度更快的芯片。

2. 按帧处理

    有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次,而是每隔一定的时间间隔(通常称为帧)循环一次。所以选择DSP芯片应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP算法的运算量。假设DSP芯片的指令周期为P(ns),一帧的时间为⊿τ(ns),则该DSP芯片在一帧内所提供的最大运算量为⊿τ/ P 条指令。

5 DSP芯片的基本结构

DSP芯片的基本结构包括:

(1)哈佛结构;

(2)流水线操作;

(3)专用的硬件乘法器;

(4)特殊的DSP指令;

(5)快速的指令周期。

哈佛结构

    哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编址,独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线,从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在两个分开的空间中,因此取指和执行能完全重叠。

    流水线与哈佛结构相关,DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间,从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理二到四条指令,每条指令处于流水线的不同阶段。入图示出一个三级流水线操作的例子。

CLLOUT1

取指 N N-1 N-2

译码 N-1 N N-2

执行 N-2 N-1 N

图4-1 三级流水线操作

专用的硬件乘法器

乘法速度越快,DSP处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器,乘法可在一个指令周期内完成。

特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。

    快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

6 DSP系统的特点

    数字信号处理系统是以数字信号处理为基础,因此具有数字处理的全部特点:

(1) 接口方便。DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容,这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。

(2) 编程方便。DSP系统种的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

(3) 稳定性好。DSP系统以数字处理为基础,受环境温度以及噪声的影响较小,可靠性高。

(4) 精度高。16位数字系统可以达到的精度。

(5) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大,而数字系统基本上不受影响,因此数字系统便于测试,调试和大规模生产。

(6) 集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模集成。

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发表于 2008/7/1 22:20:18

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功能测试:基本概念与技术

功能测试:基本概念与技术

尽管各种新技术层出不穷,如光学与X射线检查、基于飞针或针床的电性测试等,但功能测试依然是保证产品到最终应用环境立刻就能工作必不可少的手段。  

现代电子产品中内置自测(BIST)应用越来越多,这应该大力提倡,因为它可降低功能测试的成本,但也不能完全消除功能测试。如果应用的场合非常重要(如军事、航空、汽车、交通、医疗等领域),或者最终产品的成本及复杂程度(如电信网络、发电站等)非常高,那么更需要保证产品自身以及与其它系统合在一起时工作正常,这时功能测试将是必须的。  

什么是功能测试  

功能测试涉及模拟、数字、存储器、RF和电源电路,通常要用不同的测试策略。测试包括大量实际重要功能通路及结构验证(确定没有硬件错误),以弥补前面测试过程遗漏的部分。这需要将大量模拟/数字激励不断加到被测单元(UUT)上,同时监测同样多数量的模拟/数字响应,并完全控制其执行过程。  

功能测试可在产品制造生命周期不同阶段实施,首先是工程开发阶段,在系统生产验证前确认新产品功能;然后在生产中也是必须的,作为整个流程的一部分,通过昂贵的系统测试降低缺陷发现成本(遗漏成本);最后,在发货付运阶段也是不可缺少的,它可以减少在应用现场维修的费用,保证功能正常而不会被送回来。如果你经常坐飞机,而且也知道现代飞机里装有多少电子设备,那么你一定会感谢这最后工作所作的一切。  

如上所述,功能测试是在最终系统测试或集成测试之前,可用于线路板或模块。如今高集成电子设备已将这些概念混淆,线路板和模块又都放在一个可更换模组中。虽然很多测试仪结构类似,但测试程序以及线路板和模块的运送过程却大不相同,而且测试地点也有很大影响,是在应用现场测试维修(前向测试),还是在维修中心,或送回工厂是完全不同的。  

功能测试有多种形式,这些形式在成本、时间、效果和维护性方面各有优缺点,我们将其分为下面四种基本类型,分别分析其特性。  

1.模型测试系统  

2.测试台  

3.专用测试设备(STE)  

4.自动测试设备(ATE)  

模型测试系统  

从理论上说检验一个设备(线路板或模块)功能最简单的方法就是把它放在和真的环境一样的模型系统或子系统中,然后看它工作是否正常。如果正常,我们可以有很大把握认为它是好的,如果不正常,技术人员将进行检测希望找出失效的原因以指导维修。但实际上,这种插入上电方式有很多缺点而且很少有效,虽然它有时可作为其它测试方案的补充。  

首先,子系统的成本通常比传统测试平台要高,尤其是后者是通用设备可用于多种场合的时候。此外,模型环境下的子系统维护非常复杂、耗时且成本高。集中式维修中心很快就会被不断出现的模型子系统填满,而每个都需要特定的文件和培训、操作指导与维护。同时,仅仅将被测设备插在系统中还不够,还必须执行一系列正确的操作步骤以保证其工作正常,或检查它为什么不能正常工作。这些专门的测试步骤成本和复杂性都非常高,而且很耗时,在操作中还需要熟练的技术人员来执行。最后,即使进行了专门的改造,在系统上进行单元调试也很麻烦且不实际,操作流程控制上的局限性以及缺乏诊断工具很快使这种方法在经济上变得不可接受。  

测试台  

测试台是一个常规测试环境,包括与被测设备之间的激励/响应接口、专门测试规程规定的测试序列与控制。激励与响应通常由标准电源及实验仪器、专用开关、负载以及终端自定义电子设备(如数字激励)提供。在这里夹具是非常重要的一个部分,可提供到被测设备正确的信号路径和连通。在很多情况下,夹具基本上是针对每个应用而定制的,需要结合手工操作进行设置。测试过程和控制通常手动进行,有时靠PC协助,通过书面的协议或规程进行规定。测试台连接到具体的产品,优点是成本相对较低,设备比较简单,但在应对多种产品时灵活性较差,即使针对某一个产品当需要多个激励/响应时它也不够。测试台通常见于工程部门,因为那里有很多仪器可以很快组合起来,且手头也有相关资料,不用正规步骤。基本来讲,高性能产品测试台并不足以应对生产测试或发货阶段的测试。  

专用测试设备(STE)  

从理论上专用测试设备就是使测试台操作自动化的系统,系统的心脏通常是一台电脑,通过专用总线(采用IEEE、VXI、PXI或PCI标准)和一些可编程仪器进行控制。速度、性能、适用情况、成本及其它因素影响着仪器总线和结构的选择。各种仪器和通用设备堆叠在一个或多个垂直机箱里(基本型STE通常称为"机架系统"),然后再连到被测设备上。连线与接通一般完全自动进行并由软件控制,不过这会使接收器的内部连接非常复杂,数字资源(信道)通常在一个专用机架上,然后由另外一个单独机架包含开关阵列对模拟仪器进行连接及分配。如果需要模拟/数字信道,夹具可以提供跳线,为使成本、空间和灵活性达到最优,通常还要专门针对具体的项目或程序进行设置,因此新的项目要设计新的STE。幸好有了自动化处理,设置时间、测试时间以及整体操作都比手工测试台更加快速而容易。生成测试程序虽然不会太简单,但所需文件将大大减少,STE可以扩展为满足多种性能需要,通常用于生产或维修中心。  

STE也有缺点,最明显的是总体成本:设备投资成本、操作成本以及程序开发成本。设备投资成本包括平台的开发、材料、制造、测试、文件系统以及折旧,操作成本包括夹具成本、维护与备件成本、工具、间接材料与易耗品、人工以及管理开销,最后对每类设备测试程序开发与调试费用也要算在一起。  

除非要重复制作大量STE,否则系统开发与文件制作的非经常性工程(NRE)费用将是成本主要部分。硬件结构必须适应产品标准,而这样对灵活性、体积、信号连通与接口都有不利的影响。打开STE的前盖你就会对系统信号源及接收器之间的线路数量与复杂性感到惊奇,夹具也非常复杂,如果是包括数十个模块用于整个项目的夹具其成本会迅速占到主要部分。有些STE需要的测试源可能很难在市面上找到,一方面可能很少另外也可能太贵,例如在需要大量数字激励/响应信道时就会出现这种情况。在可接受成本范围内(每通道10到100欧元)性能和灵活性方面的选择可能非常少,性能也有能达到要求的但成本要1,000欧元每通道。如果在硬件上进行折衷,成本将转向软件开发,测试工程师必须面对STE在性能上的局限。测试开发成本不仅因为STE性能不够而增加,由于缺乏用于测试的语言(在测试仪上用C编程可不是一件有趣的事)、用户接口以及调试工具受限等等,简单软件结构对测试开发时间和成本都有不利的影响。  

不过STE很常见,尤其是对特定程序如模块测试,但也应该仔细研究ATE带来的其它方案,尤其是那些具有开放架构优点可能改变这一趋势的系统,内部测试资源更应该专用于生成测试方案,和设计专门测试平台相比这些资源具有更为独特的技能与知识。  

自动测试设备(ATE)  

通用自动测试设备(GPATE,或简称为ATE)是一种非常先进灵活的方案,可以满足多种产品与程序测试要求,从最初出现迄今已有三十多年历史。当微型计算机控制的仪器出现以后,ATE的结构设计为直接针对测试需要,系统集成、信号连通灵活性、增值软硬件、面向测试的语言、图形用户界面等是ATE,比如SEICA(www.seica.com)的VALID S40功能测试平台,和STE之间的主要区别。  

泰瑞达公司创始人Alex d'Arbeloff在2002年10月国际测试大会的主题演讲中,对广泛采用开放架构趋势提出批评,认为它只是简单将不同模块加在一起然后用于所有测试提供商的标准机架上。他说:"这种方法对ATE业界没有什么好处,测试设备用户所得到的只是来自于ATE供应商提供的系统集成,否则用户就得自己做或者要另外付费。"实际上,基于专用技术硬软件架构同时也通过向第三方仪器供应商与标准开放,这种满足开放架构的优点将很可能成为厂商最佳选择。  

让我们仔细看一看现代ATE的架构并探讨其优点。  

功能测试ATE是一种商用系统,有很多公司都提供这类设备,虽然它和普通设备如在线测试仪或MDA不一样。功能测试更为复杂,需要有实力的供应商的经验和认真投入。可以在市场上购买(有时又称为COTS)有很多优点,它使ATE能充分利用供应商多年的经验以及NRE投资,这对于ATE供应商提供创新新技术同时又保持现有特性特别有意义。它对军事/航空产品非常重要,因为这类产品具有较长生命周期,且有很多新旧产品并存同时都要不断进行测试,比如ATE经过改进可以为低电平器件进行可重复测试,但同时旧的CMOS电平测试仍然需要提供。另一个例子与用于诊断的指引探测技术有关,该技术几乎不能用于某些新封装技术,但你是否会买一个不带这种功能的测试仪呢?  

用于并行测试的数字通道是ATE主要部分之一,通常使用专用结构,因为它专门设计用于满足各种测试要求,速度、控制性能、数据深度、整个时序范围灵活性、宽电压幅值等等都是需要了解的特性,以便知道它如何方便地使系统满足每个人的测试需求。串行数字测试带有大量协议,通常由集成到系统内部的专门仪器提供,IEEE 1194.2或JTAG/边界扫描测试技术也是同样情况,可以完整集成到综合测试环境中。  

与STE结构类似,ATE系统结构中集成了很多商用仪器以提供模拟测试功能。这里需要澄清什么叫"集成"。驱动仪器最简单的方法是通过在计算机与仪器之间建立一个双向通信很容易地实现,使用户可以与其进行交流,但这并不是"集成",只是一个简单的接口。这种方式下通过交换字符串或调用C程序对仪器编程,使得任务冗长而复杂,同时程序文件编制、程序改变或调试操作都需要技巧与耐心,此外如果仪器已经陈旧需要更换,那么所有程序都需要纠正,通常STE上用户使用仪器就是采用这种方式。  

仪器集成还包括仪器层之间的通信,但用更高层指令保护编程与调试,以避免上面的所有问题,例如对任意DMM编程进行电压测量可用如下简单语句:  

MEASURE V at PIN ACK1  

TEST (4.9V MIN, 5.1V MAX);  

软件驱动器可以给ATE提供仪器与附加接口层,语言则保证仪器集成的有效性,系统控制管理DMM和UUT上ACK1引脚之间的连接。  

如果因为仪器陈旧改变DMM,只需要一个新的驱动软件和协议层,所有测试程序均保持不变。  

除了仪器全面集成带来的优点之外,ATE还能为信号路由和连接提供更好方案。ATE专用背板大多数情况下包括一个模拟总线,可以让仪器直接连到任何引脚,而不会使内外引线变得复杂。这种灵活性通常可扩展到将模拟和数字通道合在一起(混合通道),使用户在任何时候连接数字或模拟激励,并测量接收器任意引脚。其结果是不仅使成本大大简化降低,同时测试程序也更易于实现。  

ATE的模块化设计可使其通用特性在不同项目间完全得到表现,即相同的系统、相同的软件、相同的培训与文件系统,以及相同的操作。  

不管是开发、生产还是运送测试,ATE都可以作为整个流程的一部分,其本身也有一个结构化流程以便达到最佳使用效果。测试程序编制还包括链接到CAE数据库,程序编制不管是人工还是用模拟驱动,通常都有很好的结构可连接到外部程序资源、并行测试生成部分、图形编程、无缝修正、文件自生成以及和调试等的全面链接。调试与运行功能包括失效停止、循环、条件分支、实时改变、模拟与数字内部探测,及所有可以简化程序员与操作员工作的功能。  

简而言之,ATE和所有其它系统一样,并不仅仅是部件的简单相加。  

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