LabVIEW 高速混合信号自动测试系统设计LabVIEW 高速混合信号自动测试系统设计
随着自动测试设备由台式仪器向模块化仪器方向的发展, 自动测试系统正在从型向通用型方向转变, 但是仪器互换性和测试程序的可移植性问题限制了它的发展。近年来, 虚拟仪器在自动测试中的应用越来越广泛, 运用虚拟仪器可以共享硬件和软件资源, 并且方便、快速的组建各种自动测试系统。
虚拟仪器将计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者相结合，是计算机硬件、软件和总线技术向其它相关技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。
本文介绍一种基于NI公司的PXIe系统自动测试系统，板卡式仪器方便组合，根据需求可以自由组成不同的测试系统，测试板卡和机箱集成在一起，体积较小，便于安装和携带。另外采用NI公司自己的语言开发系统LabVIEW，结合自动化编程软件TestStand，实现了小批量灵活摸底测试和大批量稳定的筛选测试。使测试开发人员可以在上面开发不同的测试系统，筛选人员按照ATE的简单模式进行筛选。
2.硬件组成
图 1 NI ATE整机示意图
2.1、机箱
该系统基于NI发布的PXIe-1085机箱为载体开发， 1085 具有18槽，其中16个混合插槽，1个PXI Express系统定时插槽，机箱配有高带宽全混合背板，可满足各种高性能测试和测量应用的需求。
2.2、PPMU6556
NI PXIe-6556是针对验证或生产测试的一款zui全面、zui灵活的NI高速数字I/O模块。 24路具有PPMU功能的数据通道均可生成或采集数字数据或动态执行DC参数测量，采集速率达200 MHz。
2.3、同步板卡6674
NI PXIe-6674T提供适合PXI Express系统的*定时与同步功能。模块生成时钟和触发信号，并且可在1个PXI Express机箱中的多个设备之间进行路由。
2.4、SMU4145
NI PXIe-4145是一款高通道数、高速源测量单元(SMU)，它的每个PXI Express插槽均具有4路*相同的SMU通道。 每个SMU提供500 mA时±6 V的四象限输入或输出功能；每路通道具有可实现精确测量的集成遥感（4线）。
2.5、DMM4071
NI PXI-4071 是一款7位半FlexDMM--高性能、多功能的3U PXI模块，可提供两种常用测试仪器的测量功能，即高分辨率的数字万用表以及数字化仪。
2.6、IO6509
NI PCIe-6509工业96通道数字I/O板卡，具有96条双向数字I/O线，并配备高电流驱动(24 mA)。
2.7、FlexRIO及6587
NI 6587是一款面向NI FlexRIO的低电压差分信号(LVDS)适配器模块。 该模块具有20路LVDS数字I/O通道；每路通道的输入或输出速率可达1 Gbit/s。
2.8、外部仪器
根据需要，选用Agilent N6715B电源分析仪作为供电设备，R&S SMA100信号发生器作为时钟信号输入，以及R&S FSUP频谱分析仪测量DAC输出动态性能。
2.9、DUT LoardBoard
DUT LoardBoard由母板和子板组成。
母板设计的初衷就是将板卡所有资源引入，而又不影响信号完整性。母板采用NI各板卡连接线引入后使用ENRI高速接插件1469362-1与子板对接，为了降低高速信号与低速信号之间的干扰，母板对称设计，上部四接口主要是高速信号及时钟同步信号，下部四接口主要是电源及PPMU、SMU、DIO等信号接口。
高速信号由于传输速率高，对信号完整性及电源完整性要求苛刻，常规继电器高频插损大，信号线路容易受外界干扰，通过研究验证后，选用ADI公司的射频模拟开关ADG936实现高速信号开关阵列的动静态切换。
对于ADC数字输出端口，射频模拟开关同时会在直流测试通路上引入导通电阻，增加直流通路电阻的不确定性，无论是加流测压还是加压测流都无法避免串入的导通电阻。为了解决这个问题，在引入ADG936的同时，Pin对Pin对称的接入直流信号切换模拟开关ADG836。这样使直流测试信号不通过ADG936就进入测试终端。
图 2 DUT LoardBoard（母板）设计
子板设计中，ADC模拟输入及时钟输入通过外部信号源给入，数字输出端通过一级开关实现动静态切换，动态直接通过电缆接入FlexRIO，由其采集输出数据，并进行FFT分析。静态通过二级开关切换至时间参数测试和电平等直流参数测试。电平通过PPMU实现多路同时测试，时间通过电缆引至外部示波器测试。DAC测试则相反，数字输入通过一级开关实现动静态切换，动态直接通过电缆接入FlexRIO，由FlexRIO发出动态数字码段送给DAC。静态通过多路PPMU同时测试阈值电压及输入阻抗等参数。
图 3 DUT LoardBoard（子板）设计
3、系统测试原理
本系统主要用于测试AD/DA混合信号高速动态参数和直流电平、电流等功耗参数，及数据传输等时间参数。
高速动态参数主要是信噪比（SNR）、无杂散动态范围（SFDR）、双音（及多音）失调等。对于DAC即是通过高速数据发生器产生数据源发送给DA，再有频谱分析仪等进行模拟信号采集分析；对于ADC即是模拟信号通过ADC转换成数字信号，再有高速采集板卡将其按协议采集并做分析处理。
对于本系统实现的方法即是通过FPGA板卡7962R的适配器6587产生LVDS数据源或者采集LVDS数据。共有四块FPGA板卡即可同时产生或者采集4通道16路标准LVDS数据。对于多通道同步可以采用系统自带板卡PXI6674，实现一路随路时钟，产生多路同步时钟。
对于直流功耗类测试可以使用板载SMU板卡PXI4145，共四路带有远程感应端子的SMU，每路可达±500mA，±6V四象限测量，并具有15pA的电流测量灵敏度，zui高600k/s的连续采样，既可以用作电源，又可进行高精度测量。如果板载电源不满足测量要求，可以外挂电源仪器进行辅助测量，因为整个系统是开放的。
对于数字电平及漏电流测试可以使用PPMU板卡6556，共四块板卡，每块标准PPMU24路，还拥有更多可以编程的PFI控制端口进行SPI等具有时序延迟的数字IO测试。
对于数据时钟延迟等时间参数测试通过外挂示波器实现。
本系统实现ADC和DAC测试，对于ADC测试流程如图4所示，对于DAC测试流程如图5所示，
图 4:ADC 测试流程
图 5:DAC测试流程
4软件设计
软件开发是基于NI仪器公司的National Instruments LabVIEW 2012以及National Instruments TestStand 2012系统。
其中，National Instruments LabVIEW 2012用于编写PXI模块化仪器控制，测试仪器控制，上位机等测试VI，National Instruments TestStand 2012用于控制整个测试流程控制。
4.5.1发环境介绍
4.5.1.1 National Instruments LabVIEW 2012
LabVIEW是由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 与 C 和BASIC 一样，LabVIEW 也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。
LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。
4.5.1.2 National Instruments TestStand 2012
TestStand是美国国家仪器公司（NI）自主开发研究的一款软件系统。NI TestStand是一款可立即执行的测试管理软件，它可以帮助用户更快地开发自动测试和验证系统。 NI TestStand可用于开发、执行和部署测试系统软件。 此外，用户还可使用任何编程语言编写的测试代码模块开发测试序列。 测试序列可以执行流、生成测试报告、进行数据库记录以及连接其他公司系统。 zui后，用户可借助易用的操作界面，在生产中部署测试系统。
NI TestStand是可立即执行的测试执行管理软件，用于组织、控制和执行您的自动化原型设计、验证或制造测试系统。加入在LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual C/C++、Visual Basic .NET和C#中编写的测试程序，使用NI TestStand快速创建测试序列。NI TestStand基于一个高速多线程执行引擎，其性能足以满足zui为严苛的测试处理能力要求。
首先，基于LabVIEW编写测试相关子VI，如仪器控制，PMU控制，SMU控制，FLEXRIO控制，万用表控制，IO控制等较底层VI，以及调用上述底层VI的参数测试VI等。
然后，将成形的测试VI通过TestStand整合成测试序列，在调用过程中设置测试指标，以确定参数测试的pass或fail。
zui后，将TestStand中所得测试结果通过数据交互传递至LabVIEW上位机界面，通过ACCESS保存数据。
开发流程如图6所示。
图 6软件开发流程
4.5.3关键VI
4.5.3.1仪器控制
该VI主要功能是通过GPIB控制外部测试仪器，基于底层VISA控制协议，调用各个有效SCPI命令对仪器进行操作，如电源电压设置，频谱分析仪功率测量等。本文介绍的开发案例，主要控制Agilent电源分析仪、RS信号源以及频谱分析仪。
图 7 仪器控制VI
电源VI可以实现电源电压设置，限流设置，电源开关，电流回读等有效功能。SMA仪器控制的用户界面，实现信号频率设置，信号幅度设置，信号使能以及同步信号使能等。对于频谱分析，不仅实现设置显示，宽带类型，通道显示横纵坐标宽度，扫描带宽范围等功能，还能基于动态性能的频谱测量控制子VI，主要功能：扫描信号获取基频以及多次谐波功率，并标记记录zui差杂散功率，计算SFDR。
4.5.3.2 DAC发码
根据flexRIO其结构原理进行多块flexRIO卡之间的同步控制开发，实现DAC数据多频点发码，图7所示，即为DAC发码的控制界面，其中可以选择1-4块卡进行同步控制操作，同步时钟可以选者外部时钟（来自DAC）或者内部时钟（来自NI内部DDS），通过6674T路由至各个flexRIO板卡，也可以对机箱及卡槽进行选择。
图 8 DAC发码VI
采用数据数组文件控制方式，可以在加载初始阶段将待测频点全部写入存储空间，通过地址分配指示，通过NEXTCODE布尔控件触发切换至下个频点，克服加载时间过长影响测试效率等问题。
4.5.3.3 SPI控制
PMU功能有两种，一种即为前面提到的源表功能，第二种是作为高速读写IO使用（HSDIO），速度在200MHz以内，可通过不同配置控制PMU以实现需要功能，如下图所示即为基于PMU的SPI控制的用户界面。
该VI可用于IC芯片SPI寄存器控制，实现功能：
1、选取作为HSDIO的PMU板卡及施加通道；
2、SPI模式选择，写操作，3线读操作，4线读操作；
3、SPI控制时序，高低电平可控；
4、对于SPI，可调节的参数包括，SDO的建立保持时间，CS的建立保持时间，SCLK的频率，高电平时间和低电平时间（占空比），CS的空闲时间延迟；
图 9 SPI发码VI
4.5.3.4 接口电参数测试VI
常规测试方法是通过继电器将每一路待测IO依次切换到源表端口，测试完毕后又切换至常态，这种方法大量使用继电器会给系统带来供电压力，而且在切换后固态继电器有个稳定时间，需要等待*连同好后才能开始测试，如此大量端口串行测试耗时长，效率低。
本系统在构建中充分考虑到这些实际问题，利用多路PPMU技术实现多通道同时测试，使每一路数字通道有一个独立的PMU接入，在程序初始化时既可以预加载配置，只需一个测试指令既可以同时测试完毕所有数字通道，及快速又准确。
对于电流测试，该VI控制24路PMU(或者SMU)施加电压激励（电压在一定范围内可调），为保证测试精度，施加电压激励后，对施加接口进行测试，以后期计算采用接口实际电压。一定延迟后测量电流，实现源表加压测流功能，完成IOH、IOL、IIH和IIL等参数测试。
对于电平测试，类似与电流测试，施加电流激励后测量电压，实现源表加流测压功能，完成VOH、VOL、VIH和VIL等参数测试。
4.5.4测试序列
TestStand序列结构大致分为三个部分：setup，main，cleanup。
图 10 TestStand开发流程图
在setup过程中添加初始化子VI，实现IC芯片的初始化操作，外部仪器的初始化和设置，启动DAC动态发码程序，等等。
将打包好的测试子VI以Tests中Pass/Fail Test或者limited形式加入到TestStand中的main，即为测试主函数，对于测试函数和测试过程以及数据交互都在这个部分中运行。然后，添加子VI后，配置窗口会出现VI中给予定义的所有输入和输出，这里就需要设置输入变量和输出变量，所得测试结果以输出变量的形式上传*位机。
Cleanup过程，是测试结束后的操作，一般包括仪器的关闭以及内存资源的释放等。
4.5.5 系统界面
测试系统通过固定结构与TestStand连接，上传或下载数据。界面针对生产测试添加UUT测试，产品批次输入，确保每次测量的可追溯性。监测界面可显示TestStand序列运行步骤，测试结果随参数VI的运行上传至测试列表中并做存储，实现实时监测与数据保存。通过Tab框切换，提供整个测试序列运行后的生产报告，让用户直观、方便、快捷的获取测试信息。界面如图11所示。
图 11 系统界面
5.测试结果分析
该系统现已完成14位2GSPS D/A转换器测试开发，实现动态参数SFDR，IMD，静态参数INL，DNL，增益，输出满度电流，电源电流，以及数字输入高低电平，数字输出高低电平，漏电流等接口参数，指标满足要求。DAC参数测试典型动态曲线如下图所示。
图 12典型测试曲线
6.结论
相较于传统测试方案，该系统的PXIE设计，具有更好的机械特性，更专业的电气特性，具有开放性，基于TestStand测试序列结合LabVIEW编程实现测试的自动化。整个系统界面友好，操作方便，功能齐全，测试结果表明设计基于虚拟仪器的自动测量系统减少了工作量，避免了人为的读数误差，提高了测量精度和测试效率，实现远程监控智能化，有助于减少重复投资和提高开发效率，具有较高的应用价值，适应未来发展需要。
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