混合信号电路测试

2024-10-03

混合信号电路测试（共4篇）

混合信号电路测试篇1

模拟电子电路故障诊断自二十世纪七十年代以来, 取得了卓越的成效, 形成了系统的理论, 成为网络理论的一大分支。此外, 模拟电子电路和数字/模拟混合信号电路的广泛应用对模拟和混合系统诊断和测试提出更高的要求。

目前, 集成电路将模拟、数字和混合信号电路集中于同一沉底的IC上, 从而促进了系统芯片 (So C) 的产生。这种设计方法与以前的每个芯片不同的功能不同, 只需一片芯片就可以实现多项功能。目前, 模拟电路的测试成本占电路制造成本的30%以上, 模拟测试已成为系统成本的主要部分。

模拟电路测试与数字电路测试相比具有复杂性。首先, 模拟电路规模没有界限, 电路输出激励与输入响应、元件的参数都具有连续性, 很难做出量化。从而从理论上讲, 一个模拟软件有无穷故障, 不可能明确所有故障。其次, 模拟电路中的元件参数具有容差, 即轻微的故障, 容易导致故障的模糊性, 无法确定故障的实际位置。第三, 模拟电路不存在广泛可接受的故障模型。第四, 模拟电路的测试总线比较难以实现, 测试时, 重新配置模拟电路容易改变模拟电路转移功能。

1 模拟和混合信号电路测试与故障诊断的研究背景

近年来, 模拟和混合信号电路诊断及测试方法受到科研工作者的广泛关注。1962年, R.S.Berkowits就模拟电路故障诊断方面的研究工作展开报导, 虽然该报导关于模拟和混合电路中还有很多不成熟的观点, 但是其奠定了模拟电路故障诊断及检测发展的理论基础。1979年, Navid和Willson通过实验及理论证实了线性电阻电路元件值可解的充分条件, 促进了模拟电路故障与诊断的发展。随后, 各种新的理论和方法不断涌现。目前, 国内外模拟和混合信号的故障诊断方法有传统模拟电路故障诊断方法:故障字典法、故障验证法、元件参数辨识法等;现代模拟电路故障诊断方法:基于智能计算的诊断方法。

故障字典法是收集故障中的故障响应, 将故障响应经处理后转化为对应的故障特征, 再经过编撰成为与其相对应的故障字典。利用故障字典进行电路诊断时, 根据响应的特征, 在故障字典中查的与此相对应的故障。当发生故障时, 在故障字典中查得与此故障特征相对应的特征, 执行合理的诊断方法。但是当模拟电路中的故障参数是一个连续的模拟量, 测量响应不可避免地引入误差。故障验证法首先预测电路中的故障所在, 而后验证猜测的正确性。元件参数辨识是根据网络结构估计或求解每个元件参数, 超出容差确定范围的元件认定为故障元件。

此外, 智能计算诊断方法也取得了长足进步。二十世纪七十年代, 模糊技术已经应用于模拟电子系统故障诊断;九十年代, 神经网络在模拟电路故障检测与诊断方法上广泛应用。人们依次提出了RBF网络应用于模拟电路元件级和子系统级的软故障测试分析及诊断, 以RBF和BP网络为基础实现具有容差的模拟电路故障诊断, 通过BP网络实现CMOS运算放大器的故障诊断等。

2 模拟和混合信号电路测试与诊断方法

2.1 基于小波变换的混合信号电路电流测试方法

目前, 模拟电路广泛应用于通信、消费电子领域, 其所占地位日益增重, 致使So C对混合信号功能的需求不断上升, 人们对混合信号电路的测要求日益严格。电流测试时一种已在数字电路测试中已证实的有效方法, 通过电流测试检测到的电流信号检测模拟电路中的故障。由于小波变换在频域和时域所展现的优越性, 具有的高分辨率, 适用于检测正常信号中夹带瞬态反常现象, 同时能够展示其成分。

迄今为止, 集成电路的稳态电流测试方法在工业界已成为一种被广泛认可并应用的技术, 为IC测试做出了重要贡献。此外, 小波变换的混合信号具有高的分辨率, 对点刘波采样后经傅氏变换后与正常电路参数数据对比, 发现故障, 进行检测。瞬态电流测试是稳态电流测试一种补充, 用小波变换分析瞬态电流, 分析动态电流的小波系数, 采集数据, 发现缺陷。在电流测试中, 选用合适的分析方法对电流信号分析非常重要。

2.2 So C中混合信号测试测试与诊断方法

随着电子信息技术的发展, 半导体产业逐渐实现亚微米级的加工制造, 单一集成电路芯片上就具有很大容量, 建立一个复杂的电子系统。随着集成电路 (IC) 向集成系统 (IS) 转变, 系统级芯片 (So C) 慢慢诞生。SOC系统包含诸多子模块, 例如:模拟、储存器子系统、数字逻辑等。这些具有不同测试要求的模块之间相互连接, 能够满足So C中混合信号电路的要求。如何对混合信号电路进行测试已成为模拟电路进步的关键技术, 嵌入式的混合信号可通过内自建测试、边界扫描设计以及混合信号等方法诊断。目前, 内嵌自测试、边界扫描设计和混合信号测试等混合信号测试的方法在理论上已得到论证, 逐渐应用于实际应用中。

2.3 基于模糊神经网络的模拟电路故障诊断

神经网络在故障检测时通过输入层收集故障信息, 在中间层得出针对性解决方法处理故障, 在输出层经复杂的权值调整得到故障处理的方法。模糊神经网络的模拟电路故障测试与诊断方法融合了遗传算法, 具有自学习、自组织性等特点, 对外界的信息识别能力强, 模拟人的思维模式, 解决电路中出现的故障。随着模糊神经网络的不断发展与应用, 其在模拟电路故障检测中的优势越来越明显。

参考文献

[1]魏淑华, 侯明金.SoC中混合信号测试与可测性设计研究[J].计算机研究与发展, 2010.

[2]孙永奎, 陈光福, 李辉.基于可测性分析和支持向量机的模拟电路故障诊断[J].仪器仪表学报, 2008.

[3]朱彦卿.模拟和混合信号电路测试及故障诊断方法研究[J].优秀博士生论文, 2008.

[4]孙秀斌.混合信号电路故障诊断的内建自测试 (BIST) 方法研究[J].优秀博士生论文, 2004.

[5]邢秀琴, 姚竹亭.基于人工神经网络的数字电路板故障诊断[J].机械管理开发, 2006.

[6]吴进华, 沈剑, 段育红.数模混合电路故障诊断的方法研究[J]海军航空工程学院学报, 2008.

[7]李春明, 王勇.基于小波神经网络的模拟电路故障诊断[J].微计算机信息, 2007.

混合信号电路测试篇2

工业生产中转子不平衡是旋转机械产生噪声和发生故障的主要原因,所以,转子动平衡是旋转体设备必须要解决的一个基本问题[1]。目前国内基本上对动平衡测试还是将转子基于在专有平台上进行测量,对于常见的旋转机械和机组还不能对其进行现场动平衡,这样就造成了现实生产中的设备维护和维修带来诸多不便,降低生产效率。而国内现场动平衡仪市场长期为外国厂商所占有,因此有必要研制出具有自主知识产权的现场动平衡仪。现场动平衡仪由于受到转子、轴承、基础结构及其环境等的影响,所以其关键难点在于转子不平衡量信号的精确提取; 基于此为了从强干扰中提取转子的不平衡量信号,本文根据由不平衡量引起的振动响应是与转子转速同频的信号提出了一种基于互相关原理的超窄带跟踪滤波电路的设计。

1 电路总体设计原理

根据旋转体设备转子不平衡量引起的振动加速度信号频率和转子转速信号是同频信号的特点,将转子的转速信号作为参考信号,根据互相关原理过滤掉非同频干扰噪声,从强噪声中提取振动加速度信号。

1. 1 设计思想

采用压电加速度计和光电式数字转速表来获得旋转机械体转子的振动加速度信号和转速信号,将两路信号分别经过预处理后,假定压电加速度计获得的振动加速度信号经过预处理后可表示为公式( 1) 。

式中,s( t) 为转子不平衡量引起的同频振动加速度信号,v( t) 为非同频干扰噪声。设计参考信号为公式( 2) 。

式( 2) 中的ω0为转子转速的角频率。根据功率信号相关函数定义,描述x( t) 和y( t) 之间的相关性,可以用互相关函数Rxy( τ) 表示,且有[2]:

若用电路来实现互相关原理可表示为如图1所示。

将x( t) = s( t) + v( t) 带入到公式( 3) 中,可得:

式( 4) 中Rsy( τ) 是振动加速度信号s( t) 和参考信号y( t) 的互相关函数,Rvy( τ) 是干扰噪声v( t) 和参考信号y( t) 的互相关函数,由于v( t) 和y( t) 互不相关,且假定噪声是零均值的随机过程,根据互相关函数的性质有Rvy( τ) = 0。因此可得:

这样就可以从噪声中提取出s( t) 和y( t) 的互相关特性[2],就可以利用转子转速信号作为参考信号和转子不平衡量引起的振动加速度信号做互相关处理,从而把有用的振动加速度信号提取出来。

1. 2 本系统设计原理

压电加速度计采集到的振动加速度信号包含着幅值信息和相位信息,故令式( 1) 中的s( t) =A0sin( ω0t + φ) ,其中A为振动加速度信号的幅值、ω0为转子转速的角频率、φ为与转速信号之间的相位差。由于在所要得到的信号中含有两个未知变量幅值A和相位θ,故把参考信号设置为两路相位相差90°的简谐信号( 简谐信号是指一个物理量随时间按正弦或余弦函数关系变化的情况) ,所以参考信号y ( t) 可写y1( t) = A0sinω0t和y2( t) =A0cosω0t。将和分别与式( 1) 做互相关处理,为了分析方便可以将式( 1) 改写为如下形式:

式中,∑A' sin( ωt + φ') 为非同频干扰噪声v( t) 的求和形式,A″为振动加速度采集到的信号中可能含有的直流分量,在实际设计中就假定该信号存在,将y1( t) 和y2( t) 分别与x( t) 相乘,可得:

从式( 7) 和式( 8) 可知,等式右边分别含有直流分量1/2AAcosφ和1/2AAsinφ,其余的均为交流信号,直流分量中包含中由转子不平衡量引起的振动加速度的振幅A和相位φ信息。根据公式( 3) 可知只要将z1( t) 和z2( t) 分别积分即可得出直流分量。将z1( t) 和z2( t) 的幅值分别记为A1和A2,就可得由转子不平衡引起的振动加速度信号的幅值和相位为:

2 硬件电路的实现

根据原理可知,整个硬件电路实现分为两大部分: 1将转子的转速脉冲信号和振动加速度信号进行预处理; 2将二者进行互相关处理。

2. 1 信号预处理

2. 1. 1 转速信号的处理

由上面可知,需要把转子的转速脉冲信号经过处理后分别变成正弦信号和余弦信号。具体电路设计中先把转速信号进行耦合、整形、滤波以及N倍倍频,再送到EEPROM产生所需要的正弦函数和余弦函数。如图2所示,转速信号先经过电容C1耦合再送入仪用放大器中进行整形放大,为了满足后续电路的处理,需电平匹配,故先通过一个5. 1V的稳压二极管D1降幅把波形的幅值降到5V,再通过一个由10kΩ的电阻和1n F的电容构成的无源滤波,就可得到一个可以为后续电路处理的方波信号。

采用锁相环芯片CD4046和计数器芯片CD4040来实现对方波信号的N倍倍频。将CD4040的Q1脚到Q9脚的信号作为地址信号送到EEPROM中,生成正弦信号和余弦信号,作为参考信号y( t) 送到乘法器中。CD4046需要外接电容和电阻,来确定其振动频率范围,振动器的充、放电电容接在CA脚和CB脚之间,R1脚外接振动电阻,信号由AIN脚进来,N次倍频后的方波信号从VCOUT脚输出送到12级分频器CD4040进行1 /N次分频,CD4040的Q9脚和CD4046的BIN脚构成一个反馈系统来确定倍频倍数。具体电路设计如图3所示,将分频后的信号作为地址信号送到EEPROM中,生成正弦函数和余弦函数作为参考信号y( t) 送到乘法器中。

2. 1. 2 振动加速度信号的处理

设计中采用的压电加速度传感器内部自带电荷放大器,考虑到使用的场合,采用的传感器灵敏度为100mv / g,测量范围为±50g。加速度信号先经过可调增益的放大电路,在考虑到原始信号中包含一些高频噪声和可能含有的直流分量噪声,在做互相关处理前先对其进行跟踪低通滤波,滤波器采用的是MAXIM公司生产的MAX291,MAX291是一种使用开关电容滤波器技术构成的8阶低通滤波器,其截止频率取决于外部时钟的频率,该元件使用方法简单仅仅只需要提供时钟信号就可以构成滤波器[3],该时钟信号是由CD4040分频后提供的,将跟踪滤波后的信号x( t) 送到乘法器中与y( t) 做互相关处理。

2. 2 互相关电路的实现

根据原理可知,互相关电路的处理主要包括乘法电路和积分电路,在电路处理中大多数情况下人们都是使用相敏检波电路来实现其功能,由于相敏检波电路它只有抑制偶次谐波的能力,对于奇次谐波信号只能相应衰减输出信号的幅值[4]; 故在本设计中该方法是不可取的,由公式( 8) 和( 9) 可知当参考信号和获得的振动加速度信号相乘后只有1/2A0Acosφ和1/2A0Asinφ是直流分量,即是所想要得到的信号,其余的均是交流分量,所以在实际设计中将参考信号和待测信号先送入到数模乘法器中,然后再通过有源跟踪低通滤波器来滤除交流分量,滤波器的时钟信号是由转速信号经过计数器倍频来提供的。

综上所述,系统的电路设计框图如图4所示。

3 实验结果及分析

为了验证该方法的可行性,对一典型的校验转子进行了现场动平衡测试,其质量为5kg、直径为82mm。测试中将2. 287 g的校验转子试重块加到该校验转子上1平面的0°处,让转子的转速保持在1200r / min,重复8次测量转子的不平衡量,其得到的不平衡量信号和相位信号的值如表1所示。

根据表1所测得的数据,可计算出本测量系统的转子不平衡量值的重复性S为:

平均相对误差为:幅值的最大误差为0. 347g,最大相位误差小于5°。

为了进一步验证本系统的实用性,将该校验转子分别在500r/min、800r/min、1200r/min、1500r/min和1800r/min五种转速下进行现场动平衡测试,还是采用的2. 287g的标准试重块,在1平面120°处加重,表2列出了5种情况下的测量结果。

根据ISO制定的平衡精度等级,按照G2. 5标准来计算5kg校验转子所允许的剩余不平衡量[5]:

式中,M为转子质量,G代表转子的的平衡精度等级,r为转子的校正半径,n代表转子的转速。对于1800r / min,经计算可得所允许的剩余不平衡量为:mper= 1. 617g。经过计算可知,所以表2中所测得的数据误差,符合公式( 12) 所计算出的允许剩余不平衡量的范围内。

4 结束语

混合信号电路测试篇3

20世纪90年代,JTAG工作组提出了边界扫描测试技术,以解决数字电路的故障诊断和检测问题,最终形成了IEEE 1149.1标准[1]。该标准推出之后,取得了巨大的成功,但是该标准没有解决模数混合信号电路的测试问题,故IEEE组织发布了IEEE 1149.4混合信号测试总线标准[2]。该标准主要增加了对模拟电路的扩展互连测试。该标准利用边界扫描机制实现了对混合信号电路板中的模拟器件的参数测试,从而提供了一种标准化的解决方案。

模拟边界扫描测试在IEEE 1149.4 标准推出之后,逐步获得了发展,但因技术上尚未完全成熟,市面上混合信号BS芯片较少,支持IEEE 1149.4的芯片和测试系统较少。本文在对IEEE 1149.4标准进行深入研究的基础之上,设计了针对混合电路板的边界扫描测试系统及其验证电路。通过初步的试验验证,所设计的系统实现了标准规定的互连测试和参数测试,有一定的实用价值。

1IEEE 1149.4 标准

IEEE 1149.4标准与IEEE 1149.1标准完全兼容,符合该标准的混合信号器件结构如图1所示,主要包括:数字测试访问端口TAP(Test Access Port)、模拟测试访问端口TAP(Analog Test Access Port,ATAP)、测试总线接口电路(Test Bus Interface Circuit,TBIC)、模拟测试总线ABx(Analog Test Bus)和模拟边界扫描单元(Analog Boundary Module,ABM)和数字边界扫描单元(Digital Boundary Module,DBM)等部分。

1.1 测试原理及结构

TAP控制器为16位同步状态机[3],由TMS信号和TCK信号控制,其主要功能是产生测试逻辑的指令寄存器和测试数据寄存器正确工作所必需的时钟信号和控制信号。控制器产生各种控制信号,从而实现移位、捕获和更新等操作,控制TBIC和ABM的控制电路等。ABM是模拟BS单元,其开关结构控制了该模拟管脚与内部测试总线的连接。结合TBIC的控制,AT1或者AT2就可与任一器件相连,完成模拟虚拟探针测试。

测试总线接口电路TBIC的功能是控制外部总线(ATAP)与内部测试总线(AB1,AB2)的连接,为器件的ABM单元和外部的测试总线系统提供通道。

程控电流源通过ATAP为被测器件提供指定幅度的直流电流信号、或指定频率和幅度的交流电流信号。

数据采集器通过ATAP采集测量响应数据,把采集的交流信号转换为直流信号,通过交直流切换电路及量程切换电路后由ADC转换器实现电压采集,从而实现模拟电路的相关测试。

1.2 测试控制模块

测试控制模块的基本框架如图2所示。其中主要包括以下几个模块:

TAP控制模块:由TMS信号和TCK信号控制,其主要功能是产生测试逻辑的指令寄存器和测试数据寄存器正确工作所必需的时钟信号和控制信号;

指令寄存器模块:在I_S_Ctrl信号组的作用下,装载指令;

指令译码模块:从指令寄存器读入指令并进行译码,并将译码信号传给测试数据寄存器模块;

旁路与边界扫描模块:在控制信号的作用下,是扫描链按照IEEE 1149.4标准所定义的时序,进行捕获、移位或者更新等操作;

选择模块:在Select信号控制下,确定是将指令还是扫描链中的数据从TDO串行移位输出。

1.3 边界扫描单元

混合信号电路边界扫描单元包括ABM和DBM。每种DBM都是一种具有一个或多个不同状态的边界扫描寄存器[4]。它装载数据,也可以捕获逻辑值。ABM是混合信号电路单元,它由控制逻辑和开关矩阵两部分组成。控制逻辑是数字构成的控制寄存器,用来控制模拟功能管脚的模拟和数字信号的输入输出及开关矩阵的动作,从而让TBIC控制了ATAP与内部测试总线的连接,为器件的ABM和外部测试系统提供联系的通道。

1.4 IEEE 1149.4指令集

IEEE 1149.4的测试指令有三种,分别是强制指令、可选指令和用户扩展指令。其中BYPASS,SAMPLE/PRELOAD,EXTEST,PROBE为强制指令,INTEST,CLAMP,HIGHZ,RUNBIST,IDCODE,USERCODE为可选指令。器件设计者可以根据自己的需要增加所需的指令。

2测试方法

边界扫描在板级测试中应用的比较广泛,常用的测试方法有基础测试、互连测试和参数测试。

2.1 基础测试

基础测试主要是对扫描链本身结构进行测试,确保边界扫描其他测试能正确进行,测试前先测试边界扫描链通路,检测扫描链各芯片的JTAG测试总线故障[5,6]。在器件BSDL文件中,instruction_capture属性对应的标志代码是固定的,该代码是检测边界扫描测试总线故障的重要依据,当整个扫描链中各器件的指令测试与其标志代码一致时,说明扫描链路正常,若要判断测试信号出现哪种类型的故障,需要借助辅助测试代码进行下一步测试总线故障诊断与定位。

2.2 互连测试

这里说的互连测试,是混合信号电路中的简单互连测试[7]。连接的管脚进行互连测试,主要用来测试器件连线间的开路、短路和网络间的桥接等故障。

IEEE 1149.4标准在ABM中增添了VH,VL,VTH三个不同的电平,分别代表高电平、低电平和门限电平。根据ABM内部的控制逻辑真值表,将模拟边界扫描单元的逻辑控制代码装进边界扫描链中,从而控制相应的逻辑开关闭合,使外部的VH或VL电平施加到输出型的模拟管脚上作为预置测试矢量;执行测试之后,通过捕获与该管脚相连的输入型模拟管脚上的电压,并与VTH门限电平进行比较,将模拟量数字化为一位数字值“0”或“1”,作为输入型模拟管脚上的测试响应。通过将预制测试矢量和测试响应进行比较,就可以分析出该模拟简单互连线是否发生了短路、开路、桥接等故障,并可以将故障定位到管脚级。

2.3 参数测试

参数测试针对的是电路的模拟特性测试和印刷电路上分立元件参数测试,其实质是IEEE 1149.4标准环境中集成电路之间互连的“扩展”,即扩展互连测试[8]。

其测试方法要根据网络的具体性质和电路特点及混合信号边界扫描测试规范而定。扩展互连测试里面有种特殊的应用就是差分测试,它包括数字差分电路的互连测试、模拟差分电路的简单互连测试和模拟差分电路的扩展互连测试。

3系统设计

支持IEEE 1149.4标准的边界扫描测试系统是实现混合信号电路测试的基础。该测试系统主要由上位机、测试控制器模块构成。上位机负责测试矢量的生成以及对测试响应进行分析,并通过总线与测试控制器完成数据传输。测试控制器用于产生对被测电路状态机所需的控制逻辑时序,并完成测试矢量的加载和测试响应的存放。测试系统的总体结构如图3所示。

3.1 硬件实现

测试系统的硬件主要由测试控制器模块组成。制器模块采用控制器+测试控制器+程控电流源与数据采集器的结构。

测试控制器的设计内部设有多个功能寄存器,通过外部数据线和读写控制信号线,可以实现对这些寄存器的访问,完成各种测试任务。控制器设计完成后,在一片Xilinx Spartan Ⅱ XC2S100芯片上下载实现,并以它为核心组建了一套边界扫描测试系统。

测试控制器的主要作用是:接收主机的指令或数据,转换成测试激励数据给被测电路[9];读取测试响应的数据,反馈给上层软件;控制接口电路、程控电流源与数据采集器的通信,实现数模混合测试。

程控电流源直流部分由D/A模块产生直流电压,交流部分由DDS产生正弦电压信号,并进行功率放大,通过继电器进行交直流切换,并由V/I转换模块实现电流输出;交流电压信号由AD637将交流信号转换为直流信号,通过交直流切换电路及量程切换电路后由ADC转换器实现电压采集。

数据采集器由交流有效值转换、交直流切换、量程切换和AD转换等部分构成。

3.2 软件设计

软件处理的任务如下:根据获取的测试类型和PCB板的器件信息进行文本编译;选定测试算法之后,对可测网络自动生成测试矢量;将测试矢量施加到被测电路中,同时取回测试响应;根据相应的故障诊断算法,判定故障并进行定位。

本测试系统的软件部分由接口驱动程序、测试控制器驱动程序和测试控制器测试程序等部分组成。其中测试控制器的测试流程如图4所示。

4测试结果

由于目前没有符合IEEE 1149.4标准的器件成品,只有美国国家半导体公司在2002年推出了一款支持DOT4的商业测试芯片——STA400,但是在国内没有销售。在本系统的DEMO板测试验证中,采用的是DOT4工作组所使用的测试验证芯片KLIC[10],做测试验证的DEMO板是在数模混合电路核心逻辑的基础上插入边界扫描测试芯片KLIC,使其构成混合信号边界扫描器件。

测试验证中,对DEMO板进行了基础测试、简单互连测试和扩展互连测试。其中对如图5所示的Π型网络模拟扩展互连测试的测试结果如表1所示。

5结语

IEEE 1149.4标准对混合信号电路定义了一种可测性结构以及相关协议。本文根据标准设计并实现了混合信号边界扫描测试系统, 可以实施IEEE 1149.4标准规定的各类混合信号边界扫描测试,能迅速进行故障诊断,具有一定的实用价值。

摘要：IEEE 1149.4的推出为混合信号测试提供了一个标准,推动了混合信号边界扫描测试技术的研究。简要介绍了IEEE 1149.4标准及混合信号测试方法,并根据标准定义的测试结构设计出一种混合信号边界扫描测试系统。经过测试验证,该系统能够对混合信号电路进行互连测试和参数测试,可实现准确的故障诊断,具有一定的实用价值。

关键词：边界扫描,混合信号,IEEE1149.4标准,互连测试,参数测试

参考文献

[1]IEEE Std 1149.1-2001.IEEE standard test access port andboundary scan architecture[S].[S.l.]:IEEE StandardBoard,2001.

[2]IEEE Std 1149.4-2001.IEEE Standard for a mixed-signaltest bus[S].[S.l.]:Test Technology Technical Commi-ttee of the IEEE Computer Society,1999.

[3]陈光衤禹.可测性设计技术[M].北京:电子工业出版社,1997.

[4]梁佐庆,孟晓风.面向电路板级的边界扫描技术的应用[J].国外电子测量技术,2003(1):40-41.

[5]孙奇燕,林伟.RISC CPU的边界扫描电路设计与实现[J].国外电子测量技术,2008(10):54-55.

[6]赵红军,杨日杰,崔坤林,等.边界扫描测试技术的原理及其应用[J].现代电子技术,2005,28(12):20-21.

[7]杨兵,姜岩峰,张东.混合信号集成电路边界扫描测试技术的实现[J].电子技术,2010(1):49-50.

[8]张华,陈朝阳,沈绪榜.基于微机的边界扫描测试主控系统的设计[J].华中科技大学学报:自然科学版,2002,30(5):22-24.

[9]张西多.基于IEEE 1149.4标准的混合电路边界扫描测试控制器的设计[J].计算机测量与控制,2006,14(5):570-572.

混合信号电路测试篇4

高灵敏加速度传感器可用于各种导航控制、车身安全控制、硬盘抗冲击防护的动态参数测试,也可用于如IPAD、闪讯等更具创新性的电子产品中,为电子产品更多扩展性功能的实现提供了保证[1,2,3]。因此对高灵敏加速度传感器以及由此构成的MEMS系统的研究,对加强我国各种国防和民用建设、航空航天事业以及电子产品的竞争力上面具有重大的意义。同时,高灵敏加速度传感器应用于环境测试中,所以该类传感器的微弱信号提取已成为高灵敏加速度传感器研究中重要一个方面[4,5,6]。

1 加速度传感器信号输出原理

设计的高灵敏加速度传感器芯片如图1所示,压敏电阻以对称方式布置在梁的根部,将布置的四个压敏电阻连接成惠斯通电桥,可以很好的抑制非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度的影响。当有轴向加速度作用到传感器时结构梁发生变形,在压敏电阻的布置区域产生应力作用,引起压敏电阻阻值的变化,当给加速度传感器供电时阻值的变化将有相应的一组差分信号可用于提取检测。

2 Ansys仿真推算结构灵敏度

通过Ansys仿真软件对传感器模型进行仿真分析,设定有限元的单元类型为Solid Brick 20node 95;硅晶体材料的密度为2,330kg/m3,硅泊松比为0.3,弹性模量为1.7×1011N/m2。通过对四梁结构进行自由网格划分,网格质量等级设为4(1为最好)。在传感器轴向测试方向Z向上加载100g的载荷进行静态分析,得到其梁上的应力云图如图2所示。

当100g的加速度载荷作用到传感器结构上时,结构梁上将受到应力作用,则布置在结构梁根部的压敏电阻会发生变化,当给惠斯通电桥供电后就有相应的电压输出。如图所示在压敏电阻布置区域取路径,分析得到X径向应力为6.9124Mpa,Y径向应力为0.82241Mpa,当传感器供电电压为5V时,结构的灵敏度为,

$S = \frac{V_{o u t}}{a} (1)$

3 电路设计

设计微弱信号提取的原理图如图3所示,通过两级放大器约1000倍放大,将信号从毫伏级放大到伏级以进行提取和测试。

3.1 +5V供电设计

传感器整个电路采取+15V外部电源供电,而传感器电桥需要+5V电源供电,设计采用78L05电源芯片将+15V转换为+5V为电桥供电,如图4所示。

3.2 一级差分信号放大设计

由于电路输入信号是一组差分信号,设计中选用仪表放大器AD623进行一级差分信号放大。AD623具有很好的直流特性和交流特性,能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标,只需外接一个电阻Rg即可设定增益,在无外接电阻条件下,AD623被设置为单增益(G=1)。在外接电阻后,AD623可编程设置增益,增益最高可达1000倍。由于存在精度高、噪声小和功耗低等优点,常用于传感器的接口电路。其放大倍数取决于外部电阻Rg,因而具有很强的灵活性。同时在此电路中,AD623芯片还相当于一级低通滤波,其增益为100时截止频率为120kHz,放大1000倍时截止频率为10kHz。图5为第一级差分放大电路模块原理框图。像普通运算放大器一样,AD623也有其以电源的两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。所以芯片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在 PCB 上的连接点之间应连接旁路电容器;另外,在第一级差分放大之前,在AD623的两个输入端前接入一个无源的低通滤波器滤除高频噪声信号,取R2=R3=580Ω, C5=C6=1nF,则截止频率为[7,8,9,10]:

$f_{p} = \frac{1}{2 π R C} = 274.54$ kHz (2)

Rg阻值选用2k电阻,则一级差分信号放大倍数为:

$G_{1} = \frac{100000}{R_{g}} + 1 \approx 51 (3)$

3.3 二阶低通滤波器设计

由于加速度传感器选用四梁结构所选材料和工艺方面的问题,会使检测信号中混杂有较多高频成分(>10kHz),造成提取到的信号有毛刺,信噪比不高。为了使提取的信号更平稳且具有较高信噪比,需要设计一个低通滤波器。根据所检测信号需求(0Hz～5kHz),所设计的低通滤波器的主要功能是去除高频毛刺,而对滤波器的选频特性没有太高要求,过渡带的滚降速度可不用太快;考虑到电路板的尺寸结构有限,故该电路的拓扑结构不应过于复杂,元器件数量应当从简,不宜使用拓扑结构相对复杂的多重反馈滤波器;从稳定性上考虑,宜选用元件敏感度较低的滤波函数。基于上述考虑,在本设计中,选用了经典的Sallen-Key结构二阶巴特沃兹低通滤波器。巴特沃兹低通滤波器是电子滤波器的一种,它的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦,没有起伏,而在阻频带则逐渐下降为零,是唯一的无论阶数,振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。设计滤波器截止频率为10kHz, Q值为0.707。电路所需运放使用LM358双运放的A部分,滤波电路的原理如图6所示,该电路也称为单位增益KRC滤波器,即电路的增益为1。

为了简化电容电阻的匹配,令R5=R,R4=mR;任取C12=C,C11=nC。实际中,若使用两个以某一比值n≥4Q2较易获得的电容值。本设计中,任选C=1nF,n=4Q2=1.999,所以取n=2,则可得:C11=2nF,R=11.26k(用11.3k代替),m=1。计算得到的最后数据为:

C11=2nF,C12=1nF;

$\begin{array}{l} R_{4} = 11.3 k ‚ R_{5} = 11.3 k \\ w_{0} = \frac{1}{\sqrt{m n} R C} = 2 π f_{0} = 2 π \times 10^{4} (4) \\ Q = \frac{\sqrt{m n}}{m + 1} (5) \end{array}$

3.4 二级放大设计

第二级放大电路是采用LM358双运放的B部分进行信号放大,如图7所示。电路的放大倍数为:

$G_{2} = \frac{R_{7}}{R_{6}} + 1 \approx 20 (6)$

整个电路放大倍数为:

G=G1×G2≈1000 (7)

4 仿真与测试

4.1 电路仿真

根据上述设计在P-Spice中建立电路文件进行仿真分析:设计的二阶滤波器滤波-3dB带宽为10kHz,从P-Spice的仿真结果(图8)来看,滤波网络的-3dB带宽为10kHz,在5kHz处的衰减可以忽略(-259mdB),完全满足通带内平坦的设计要求。

4.2 传感器测试

对MEMS加速度计进行静态加压实验,验证MEMS加速度传感器在静态加压前后条件下,传感器的输出情况,如图9可以看出,当使用探针对质量块施加外力时,I-V特性曲线发生偏移。而当释放质量块后,曲线也同样恢复到加压前的位置这就很好的验证了所设计的传感器微结构的力电耦合特性,并且其恢复性很好。

对MEMS加速度计进行灵敏度特性实验:将加速度传感器固定于TIRA传感器自动校准系统上,实验系统如图10(a)所示。通过该自动校准系统对传感器施加正弦激励信号,测得加速度计输出信号如图10(b)所示,表明所述器件及其采集电路对于振动台提供的标准正弦信号响应波形完整,频率正确,该调理电路可在传感器频响范围内有效采集加速度传感器信号。

测试结果如表1所示。拟合结果如图11所示。

拟合结果:U=3.31624+8.46947·a

可知传感器灵敏度约为8.47mV/g。

5 结束语

本文利用Ansys有限元分析软件对高灵敏加速度传感器的微结构进行了仿真,理论上推演了加速度传感器所输出微弱信号的数量级。然后设计了对此微弱信号进行提取和测量的检测电路。通过电路仿真软件(P-Spice)的仿真和冲击测试环境下的性能测试,充分表明该信号提取电路可以满足所设计力学信号提取检测要求。

摘要：介绍了一种压阻式高灵敏加速度传感器微弱信号提取电路。该信号提取电路采用两级信号放大设计,两级之间设计有二阶巴特沃兹低通滤波器。本设计电路通过电路仿真软件进行仿真和外接加速度计测试。测试结果表明,该微弱信号检测提取电路可以很好地对高灵敏MEMS加速度计输出的信号进行放大,具体表现为可将传感器输出信号从毫伏级放大到伏级。采用这种电路设计的MEMS高灵敏加速度计输出信号具有良好的低频特性,可以满足高灵敏传感器宽频带测试的需要。

关键词：MEMS高灵敏加速度计,微弱信号检测提取,电路设计测试

参考文献

[1]张威,张大成,王阳元.MEMS概况及发展趋势[J].微纳电子技术,2002,8(1):24-27.

[2]樊尚春.传感器技术及应用[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2010.

[3]宗洁.浅谈传感器的应用和发展前景[J].中国科技博览,2010,12:307.

[4]黄俊钦.微机电系统(MEMS)促进测量学发展[J].仪器仪表学报,2001,22(1):107-110.

[5]董景新,等.微惯性仪表——微机械加速度计[M].北京:清华大学出版社,2003:101-123.

[6]许国祯.硅微结构惯性传感器的研制现状及应用前景[J].中国惯性技术学报,1998,6(1):59-67.

[7]栗大超,冯哑林,傅星,等.MEMS动态测试技术[J].微纳电子技术,2005,4(3):188-191.

[8]张威.MEMS压阻式力平衡(伺服)加速度传感器研究—设计、制造、封装和测试[M].北京:北京大学出版社,2003.

[9]鲍路路.高g值加速度计及其检测电路的设计[D].硕士学位论文.合肥:中国科学技术大学,2009.

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