一種高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭佳麗，仲海東，王炯翊

（無(wú)錫中微愛(ài)芯電子有限公司，江蘇無(wú)錫214072）

1 引言

隨著制造技術(shù)和集成電路的發(fā)展，目前的芯片中已有振蕩器集成。由于構(gòu)成振蕩器的MOS器件和電阻都極易隨著電壓和溫度產(chǎn)生一定的變化，在不同的電壓和溫度下會(huì)導(dǎo)致芯片頻率偏差。在使用芯片進(jìn)行方案開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)其頻率精度有要求，因此在進(jìn)行芯片可靠性評(píng)估時(shí)需要在不同的電壓和溫度條件下對(duì)頻率進(jìn)行全面評(píng)測(cè)。

本文介紹了一種基于STM32F107的高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，能夠通過(guò)上位機(jī)配置所需的電壓條件和溫度條件，配合高低溫箱和等精度頻率測(cè)試方法，在不同的溫度和電壓測(cè)試條件下實(shí)現(xiàn)芯片的頻率測(cè)試。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)比人工測(cè)試具有高精度、高效率、低誤差等優(yōu)勢(shì)，并且大大增加了樣本容量，減少了測(cè)試成本。

2 方案設(shè)計(jì)

選擇STM32F107作為主控電路，搭配供電模塊、溫度檢測(cè)模塊、主控與待測(cè)電路接口模塊、主控與上位機(jī)通信模塊、DPS模塊和待測(cè)MCU模塊共同構(gòu)成硬件部分。軟件部分則選用面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)編程語(yǔ)言C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行電壓和溫度參數(shù)配置，上位機(jī)與硬件系統(tǒng)利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將設(shè)置好的參數(shù)值發(fā)送到硬件系統(tǒng)進(jìn)行處理。在整個(gè)過(guò)程中，待測(cè)電路和溫度檢測(cè)模塊需放在高低溫測(cè)試箱中，通過(guò)溫度檢測(cè)模塊進(jìn)行溫度測(cè)試，電源選擇模塊進(jìn)行電壓控制，實(shí)現(xiàn)不同溫度和不同電壓下的頻率測(cè)試。本系統(tǒng)中主控模塊對(duì)頻率信號(hào)的處理采用等精度測(cè)量原理，通過(guò)合理使用定時(shí)器和外部中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分為4個(gè)部分，分別為儀器設(shè)備、待測(cè)芯片、硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件。其中硬件系統(tǒng)細(xì)分為主控模塊、供電模塊、溫度檢測(cè)模塊、主控與待測(cè)電路接口模塊、主控與上位機(jī)通信模塊、電源選擇模塊和待測(cè)MCU模塊。

圖1 高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控模塊選用STM32F107，這是意法半導(dǎo)體推出的全新STM32互連型（Connectivity）系列微控制器中一款性能較強(qiáng)的產(chǎn)品[1]，集成了多種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口[2-3]。

供電系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓器對(duì)精密電源輸入的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，為不同的模塊提供對(duì)應(yīng)的電壓。放大器采用正負(fù)9 V供電，主控電路采用3.3 V供電。主控與上位的通訊硬件選用USB接口，通過(guò)CH340G電路實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊。

電源選擇模塊主要用來(lái)設(shè)置待測(cè)電路的電壓測(cè)試條件，根據(jù)上位機(jī)的設(shè)置值進(jìn)行配置，原理圖如圖2所示。

圖2 電源選擇模塊原理

上位機(jī)通過(guò)串口向主控模塊發(fā)送溫度和電壓配置信息，主控電路接收上位機(jī)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給DA模塊，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大處理后將得到的穩(wěn)定電壓提供給待測(cè)芯片進(jìn)行供電。溫度檢測(cè)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中選用常用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)進(jìn)行溫度控制，該傳感器擁有體積小、抗干擾性強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 等精度頻率測(cè)量

常用的頻率測(cè)量方法有兩種：頻率測(cè)量法和周期測(cè)量法。頻率測(cè)量法是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后求出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，即為被測(cè)信號(hào)的頻率。周期測(cè)量法是先測(cè)量出被測(cè)信號(hào)的周期T，然后根據(jù)頻率f=1/T求出被測(cè)信號(hào)的頻率。根據(jù)測(cè)量原理很容易發(fā)現(xiàn)頻率測(cè)量法適合于高頻信號(hào)測(cè)量，周期測(cè)量法適合于低頻信號(hào)測(cè)量，但二者都不能兼顧高低頻率精度相同的測(cè)量要求。

等精度頻率測(cè)量又叫做多周期同步測(cè)量技術(shù)，主要由被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器、參考信號(hào)計(jì)數(shù)器、同步閘門控制器、采樣時(shí)間控制器以及運(yùn)算單元組成，最大特點(diǎn)是在整個(gè)被測(cè)頻率范圍內(nèi)都能達(dá)到相同的測(cè)量精度，并且與被測(cè)信號(hào)本身的頻率值無(wú)關(guān)。等精度頻率測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 等精度頻率測(cè)量原理

兩個(gè)頻率的計(jì)數(shù)是在同一個(gè)同步閘門控制下進(jìn)行的，被測(cè)信號(hào)頻率為：

其中nX和ns分別為被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值和參考信號(hào)計(jì)數(shù)值，fX和fs分別為被測(cè)信號(hào)頻率值和參考信號(hào)頻率值，TC為實(shí)際測(cè)量采樣時(shí)間。根據(jù)式（2）可以看出fs、nX和ns是引起fX變化的主要因素。TC是在被測(cè)信號(hào)fX同步下產(chǎn)生的，所以對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)nX將不產(chǎn)生正負(fù)1計(jì)數(shù)誤差[4-5]。若忽略fs的影響，對(duì)式（2）進(jìn)行微分處理可得：

可以看出被測(cè)頻率的測(cè)量精度主要取決于fs和TC，與fX無(wú)關(guān)[6]。只要fs足夠大，在整個(gè)被測(cè)頻率范圍內(nèi)均能達(dá)到相對(duì)最高精度。

等精度頻率測(cè)試的測(cè)量控制相對(duì)比較復(fù)雜，在本系統(tǒng)中通過(guò)合理使用定時(shí)計(jì)數(shù)器并且準(zhǔn)確讀出計(jì)數(shù)器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)等精度的頻率測(cè)量，不需要額外增加控制器件。使用2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量過(guò)程中的同步控制采用外部中斷實(shí)現(xiàn)，流程框圖如圖4所示。

圖4 頻率測(cè)量流程圖

程序初始化時(shí)將T0和T1設(shè)為計(jì)數(shù)方式，將用于測(cè)量的觸發(fā)端設(shè)為上升沿觸發(fā)。在頻率低于2000 Hz時(shí)通過(guò)加長(zhǎng)TC時(shí)間來(lái)降低低頻信號(hào)誤差，提高測(cè)試精度。使用此頻率測(cè)試方案得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

以上測(cè)量誤差主要是由閘門時(shí)間T的不確定引起的，該參數(shù)的準(zhǔn)確度主要依賴于所提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。若標(biāo)準(zhǔn)頻率為fc，分頻系數(shù)為k，則有：

則：

式（5）和（6）中的負(fù)號(hào)表示由Δfc引起的閘門時(shí)間的誤差為ΔT。通過(guò)以上公式可以知道閘門時(shí)間的準(zhǔn)確度等于標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。表1中的測(cè)試結(jié)果最大偏差為5.8‰，主要與標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度有關(guān)，若采用準(zhǔn)確度更高的石英振蕩器則測(cè)試結(jié)果偏差會(huì)減小。

表1 等精度頻率測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)針對(duì)通用MCU電路進(jìn)行不同電壓和不同溫度下的頻率測(cè)量，該測(cè)量分辨率可以基本滿足待測(cè)電路的頻率精度要求。

2.3 上位機(jī)軟件

在控制系統(tǒng)中一般將受用戶控制的機(jī)器例如PC機(jī)等稱作上位機(jī)。上位機(jī)發(fā)送命令給下位機(jī)即硬件系統(tǒng)，下位機(jī)根據(jù)所收到的命令轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)直接控制相對(duì)應(yīng)的設(shè)備。上位機(jī)不能直接對(duì)所需要的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量，所有的數(shù)據(jù)采集均由下位機(jī)完成。在本系統(tǒng)中采用Visual C++進(jìn)行上位機(jī)開(kāi)發(fā)，Visual C++是一個(gè)功能強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)，具有自動(dòng)生成程序框架、類管理方便靈活等優(yōu)點(diǎn)[7-10]。本系統(tǒng)采用Microsoft基本類（Microsoft Foundation Classes，MFC）來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶交互界面，與下位機(jī)采用串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)人機(jī)界面分為4個(gè)部分，分別是串口設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、實(shí)測(cè)值顯示以及控制按鈕，上位機(jī)人機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)人機(jī)界面

用戶可以在0～6 V的范圍內(nèi)設(shè)置電壓值，在-60～+125℃的范圍內(nèi)設(shè)置溫度值，設(shè)置完成后點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕，上位機(jī)會(huì)對(duì)設(shè)置值的范圍進(jìn)行檢查，若設(shè)置值不合理會(huì)在顯示面板中給出提示。串口和參數(shù)設(shè)置完成后點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)待測(cè)電路的頻率進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)試20次取平均值作為該溫度下的頻率，得到的頻率值通過(guò)顯示面板顯示，點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)按鈕可生成對(duì)應(yīng)的Excel文件。

3 測(cè)試分析

高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)串口通訊將配置值發(fā)送給硬件系統(tǒng)，其中溫度范圍為-60～125℃。溫度的控制通過(guò)高低溫箱和溫度檢測(cè)模塊DS18B20實(shí)現(xiàn)，主控電路定時(shí)與DS18B20進(jìn)行通訊，DS18B20采集高低溫箱的溫度并反饋給主控電路。待測(cè)電路的電壓通過(guò)上位機(jī)電壓編輯框設(shè)置，范圍為0～6 V。上位機(jī)將電壓信息傳輸給主控，主控將收到的信息處理生成數(shù)字信號(hào)并發(fā)送給DA模塊，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大處理后將得到的穩(wěn)定電壓給待測(cè)芯片供電。測(cè)試完成后數(shù)據(jù)可保存為Excel文件，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到頻率隨溫度和電壓的變化曲線。

使用本自動(dòng)頻率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)待測(cè)電路頻率進(jìn)行測(cè)試，頻率隨溫度的變化和頻率隨電壓的變化分別如圖6和7所示。其中圖6為固定電壓下的頻率溫度曲線，橫坐標(biāo)為溫度，變化范圍是-40～90℃，步進(jìn)為10℃，縱坐標(biāo)為實(shí)測(cè)頻率值，分別測(cè)試了5 V工作電壓下的頻率溫度曲線和3 V工作電壓下的頻率溫度曲線。圖7為固定溫度下的頻率電壓曲線，溫度為25℃，橫坐標(biāo)為電壓，變化范圍是2～5.5 V，步進(jìn)為0.5 V，縱坐標(biāo)為實(shí)測(cè)頻率值。

圖6 頻率隨溫度變化曲線

4 結(jié)論

本文介紹了一種高低溫頻率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。通過(guò)等精度頻率測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度和不同電壓下的頻率的測(cè)量，得到待測(cè)電路頻率隨溫度和壓力變化的曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測(cè)試精度高。