CN104833446B - 一种cmos温度传感芯片测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CMOS温度传感芯片测试***。包括温控温箱及置于所述温控温箱内的FPGA模块、用于搭载待测温度传感芯片的待测芯片搭载模块、LCD显示模块、DAC电路、低通滤波电路；所述温控温箱由所述FPGA模块控制进行待测温度传感芯片的测试温度的自动调整；FPGA模块通过所述待测芯片搭载模块为待测温度传感芯片提供测试时序，并通过DAC电路及低通滤波电路为待测温度传感芯片提供标准正弦信号，将待测温度传感芯片输出的信号与标准正弦信号比较，进而处理获取待测温度传感芯片的参数；LCD显示模块用于实现人机交互及测试时待测温度传感芯片的参数的显示。本发明投入设备少，搭建简单，可拓展性强，对于不同的待测芯片只需简单的硬件搭载平台的搭建就能完成测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种CMOS温度传感芯片测试***。
背景技术
CMOS温度传感器芯片，一般主要是由温度感知电路、片内Sigma-Delta ADC和一些接口电路共同组成，传统的CMOS温度传感器芯片性能的测试，测试电路复杂，而且需要工作人员手动进行测试，自动化程度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CMOS温度传感芯片测试***，该***搭建简单，可拓展性强，对于不同的待测芯片只需简单的硬件搭载平台的搭建就能完成测试。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种CMOS温度传感芯片测试***，包括温控温箱及置于所述温控温箱内的FPGA模块、用于搭载待测温度传感芯片的待测芯片搭载模块、LCD显示模块、DAC电路、低通滤波电路；
所述温控温箱由所述FPGA模块控制进行待测温度传感芯片的测试温度的自动调整；
所述FPGA模块通过所述待测芯片搭载模块为待测温度传感芯片提供测试时序，并通过所述DAC电路及低通滤波电路为待测温度传感芯片提供标准正弦信号，在不同测试温度下，将待测温度传感芯片输出的信号与标准正弦信号比较，进而处理获取待测温度传感芯片的参数，具体即：通过FPGA模块对待测温度传感芯片进行一个周期的数据采集，并对该数据进行傅里叶变换；然后通过对傅里叶变换后的值进行计算，即可得到待测温度传感芯片包括偏移量、信噪比、增益、信号与噪声失真之比、总谐波失真的参数；
所述LCD显示模块用于实现人机交互及测试时待测温度传感芯片的参数的显示。
在本发明一实施例中，所述FPGA模块产生测试时序的方式为：通过对输入FPGA的固定频率时钟源进行分频处理，得到待测温度传感芯片所需时序的的最小单位时间，通过对该最小单位时间计数，根据计数值FPGA模块输出高低电平信号至所述待测温度传感芯片，直至计数值达到待测温度传感芯片所需时序的周期，完成一个周期时序信号输出。
在本发明一实施例中，所述FPGA模块对所述温控温箱进行待测温度传感芯片的测试温度的自动调整方式为：
S21：通过在靠近待测温度传感芯片测试处设置一与所述FPGA模块连接的标准温度传感器；
S22：通过FPGA模块设置待测温度传感芯片测试时的起始测试温度值T及间隔测试温度值△T；
S23：通过标准温度传感器检测温控温箱当前温度值T1，并发送至所述FPGA模块；
S24：FPGA模块将温控温箱当前温度值T1与起始测试温度值T比较，根据比较结果控制温控温箱进行相应的升温或降温，直至调整后的温度值与起始测试温度值T一致，进行该温度下待测温度传感芯片测试；待该温度下测试完成后，FPGA模块控制温控温箱升温或降温，直至标准温度传感器检测的温度值T2与T+△T一致，进行该温度下待测温度传感芯片测试；同理，直至完成芯片的所有测试温度调整。
在本发明一实施例中，所述FPGA模块通过内置的ROM存储正弦波量化参数。
在本发明一实施例中，还包括一与所述FPGA模块连接按键模块，以便于调整所述FPGA模块为待测温度传感芯片输出的正弦信号。
在本发明一实施例中，所述FPGA模块采用Altera DE2-115。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、测试方法具有很强的可编程性和实时处理数据的能力；
2、投入设备少，搭建简单，可拓展性强；对于不同的待测芯片只需简单的硬件搭载平台的搭建就能完成测试；
3、实现环境温度测试过程中的自动化，大大减少了人力的输出。
附图说明
图1为本发明发明***原理框图。
图2为本发明一实例的待测温度传感芯片所需时序图。
图3为本发明FPGA模块时序产生流程图。
图4为本发明FPGA模块正弦信号产生流程图。
图5为本发明FPGA模块数据处理流程图。
图6为本发明温控温箱控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1-6所示，本发明的一种CMOS温度传感芯片测试***，包括温控温箱及置于所述温控温箱内的FPGA模块（FPGA开发板型号：Altera DE2-115）、用于搭载待测温度传感芯片的待测芯片搭载模块、LCD显示模块、DAC电路、低通滤波电路；
所述温控温箱由所述FPGA模块控制进行待测温度传感芯片的测试温度的自动调整；
所述FPGA模块通过所述待测芯片搭载模块为待测温度传感芯片提供测试时序，并通过所述DAC电路及低通滤波电路为待测温度传感芯片提供标准正弦信号，在不同测试温度下，将待测温度传感芯片输出的信号与标准正弦信号比较，进而处理获取待测温度传感芯片的参数，具体即：通过FPGA模块对待测温度传感芯片进行一个周期的数据采集，并对该数据进行傅里叶变换；然后通过对傅里叶变换后的值进行计算，即可得到待测温度传感芯片包括偏移量、信噪比、增益、信号与噪声失真之比、总谐波失真的参数；
所述LCD显示模块用于实现人机交互及测试时待测温度传感芯片的参数的显示。
本实施例中，所述FPGA模块产生测试时序的方式为：通过对输入FPGA的固定频率时钟源进行分频处理，得到待测温度传感芯片所需时序的的最小单位时间，通过对该最小单位时间计数，根据计数值FPGA模块输出高低电平信号至所述待测温度传感芯片，直至计数值达到待测温度传感芯片所需时序的周期，完成一个周期时序信号输出。
为实现芯片测试温度的自动控制，所述FPGA模块对所述温控温箱进行待测温度传感芯片的测试温度的自动调整方式为：
S21：通过在靠近待测温度传感芯片测试处设置一与所述FPGA模块连接的标准温度传感器；
S22：通过FPGA模块设置待测温度传感芯片测试时的起始测试温度值T及间隔测试温度值△T；
S23：通过标准温度传感器检测温控温箱当前温度值T1，并发送至所述FPGA模块；
S24：FPGA模块将温控温箱当前温度值T1与起始测试温度值T比较，根据比较结果控制温控温箱进行相应的升温或降温，直至调整后的温度值与起始测试温度值T一致，进行该温度下待测温度传感芯片测试；待该温度下测试完成后，FPGA模块控制温控温箱升温或降温，直至标准温度传感器检测的温度值T2与T+△T一致，进行该温度下待测温度传感芯片测试；同理，直至完成芯片的所有测试温度调整。
本实施例中，所述FPGA模块通过内置的ROM存储正弦波量化参数。
本实施例中，还包括一与所述FPGA模块连接按键模块，以便于调整所述FPGA模块为待测温度传感芯片输出的正弦信号。
为让本领域一般技术人员更了解本发明的技术方案，以下通过本发明的具体工作原理及实例讲述详述。
本发明主要由FPGA模块、待测芯片搭载模块、LCD显示模块、DAC电路、低通滤波电路以及自动温控模块（包括温控温箱、标准温度传感器）组成，如图1所示，其工作原理为：整个装置通过FPGA产生正弦波信号（经过外部DAC和低通滤波器），将所得到的信号当做待测温度传感芯片（搭载于待测芯片搭载模块上的搭载板上）的输入激励源。待测温度传感芯片根据FPGA提供的时序，将输入的正弦波转化成数字信号。FPGA采集并将信号进行处理，最后得到相关的参数，并在LCD上显示。具体各模块的功能介绍如下：
1、FPGA模块
（1）因CMOS温度传感芯片的测试一般需要时序（如图2所示为一个实例的待测温度传感芯片所需的时序图，该时序图的信号端口和功能说明见表1），故而本申请中通过FPGA产生时序。由FPGA产生的时序信号比用51单片机或者STM32更精确，误差在几ns的等级；相比于更精确的用逻辑分析仪产生时序信号则FPGA产生更加方便简单，精度也完全达到要求。
如图3所示，其产生时序的方式为：首先引入一个100MHZ的时钟源，因为待测温度传感芯片时序要求的最小时间单位是0.5us所以将时钟进行50分频处理，把时钟源分频为2MHZ（0.5us）。时序的周期为200us，所以在2MHZ的时钟下定义一个参数count，当时钟上升沿时进行计数，记满399（0-399就是400次计数）个数清零，就实现了周期为200us。接着只要根据待测芯片要求的时序，判断count的值对时序上的各个值赋1或者置0就可以按照时序图输出波形。其中RST比较特殊，只需要在第一个周期复位一次，所以在第一个周期后应该直接赋值0。
（2）如图4所示，为了给待测温度传感芯片一个标准的正弦信号源，FPGA模块还需提供激励信号给待测温度传感芯片，比较待测温度传感芯片输出的信号和标准正弦信号即可得出芯片的相关参数。正弦信号是通过FPGA读取事先定义好的ROM里面的正弦波量化参数，再经过外部高精度DAC以及一个低通滤波器产生标准的正弦波。并且为了使设计电路具有扩展性，在代码中加入频率控制字将输出的正弦波设置为可调。
（3）如图5所示，将标准的正弦波作为待测芯片中的输入，在输出端会有相应的数据输出，数据处理模块就是完成对待测芯片数据的采集、参数计算、计算结果的输出。
首先FPGA对待测芯片的参数进行一个周期的采集，将所采集的数据放入一组FPGA的寄存器中。本项目的参数测试是在频域内进行计算的，所以需要将寄存器中的参数进行快速傅里叶变换，并将得到的值存储在另一寄存器中。通过对处理过的参数进行相应的计算即可得到偏移量（OFFSET）、信噪比( SNR) 、增益（GAIN）、信号与噪声失真之比( SINAD)、总谐波失真( THD)等等的参数。
例如要得到偏移量只需要对采集的数据进行快速傅里叶变换，取得到的复频域值的第一组数据，即ADC转换后的正弦波的直流分量，这组数据包括直流分量的实部值、虚部值和数量级（如果数量级为1那实部或者虚部乘上e的一次方）。对这一组数据进行乘法、开方就可以得到直流分量的幅度，这个幅度就是我们要得到偏移量。与偏移量相似的，如果想要得到信噪比，则要用到傅里叶变换后的第2组到第255组数据，这些数据即一次谐波（基波）到N次谐波（噪声）。同样对数据进行运算得到各个谐波的幅度，根据计算信噪比的公式：
只要用一次谐波除以其他谐波的总和，然后取对数运算，最后乘以20就可以得到信噪比（以DB为单位）。其他参数与这两个类似不赘述。
为了节约FPGA资源，在进行乘法除法以及开方的时候我们采用了一些特殊的算法替代直接用乘法器或者调用IP核。
一、Booth算法（乘法）
Booth算法只采用加法、减法和右移操作便可计算补码数据的乘积。对乘数从低位开始判断，根据两个数据位的情况决定进行加法或减法运算，每次将乘积项向右移一位。判断的两个数据位为当前位及其右边一位，初始时需要增加一个辅助位0。根据yi 与yi+1 （被乘数相邻的两个位）的值，Booth算法单次循环的操作方式取决于表达式(yi+1 - yi )的值，可表示为下表：
本算法将乘法转化为串行的加减和移位运算，从而节省了大量逻辑资源。
二、经典除法
由于做除法运算时只是正数相除，所以采用无符号经典除法。本算法将除法转化为串行的比较和移位运算，从而节省了大量逻辑资源。
①每次比较余数(被除数)和除数的大小，确定商为1还是0；
②每做一次减法，保持余数不动，低位由被除数低位补进，再减去右移后的除数。
下面给出各个算法资源的消耗情况：其中IP_core指quartus软件自带的synopsys公司的IP核；ALUTs指查找表的个数；ALMs指自适应逻辑单元个数；Reg指可编程寄存器个数。
可见Booth算法和经典除法可以有效的减少资源的消耗，虽然会增加输出延时，但是由于FPGA的工作频率较高，并且和整个***实现的时间相比是可以忽略的，所以增加的输出延时并不影响整体性能。
2、待测芯片搭载模块
本设计中大部分功能都在FPGA上直接实现，能将***电路的设计大量减少，但仍需针对不同的规格或型号的待测温度传感芯片提供不同的搭载板。搭载板主要的作用是将待测芯片与FPGA相连接。搭载模块与FPGA模块通过排针和母座完全衔接，大大减少了通过杜邦线等连接信号所造成的干扰。
3、LCD显示模块
LCD模块提供了人机交互界面，包括正弦激励的频率和相关参数的显示。
4、DAC电路、低通滤波电路
主要作用为将FPGA模块输出的激励信号转换为标准的正弦波信号，并输出给待测温度传感芯片。
5、自动温控模块
在测试过程中要求温度从-40℃到80℃每间隔5℃测试一次，为了提高测试效率，提高测试的自动化程度，我们在***中设计了一个自动控温模块。该模块包含一个高精度的标准温度传感器，其放置的位置离待测温度传感芯片很近，这样由于温控温箱内部的体积一般比较大，因此该传感器测量得到的温度值也比温箱标称值精确。这样，我们即可通过FPGA模块控制温箱进行升降温，实现对待测温度传感芯片的全自动测试。具体可以看温控温箱的控制方式而定，比如我们所用的温箱有个RS232协议的外接接口可以用来控制温箱升降温，则将FPGA模块输出控制端口与温箱的这个外接接口用专用导线连接（如果温箱是其他协议的接口，或者无线接口也同理可实现）。自动温度测试流程图见图6。例如，从-40℃到80℃每间隔5℃测试一次，该自动温控模块工作如下：我们在控制程序中预先设定要开始测的具体温度值（-40℃），将标准温度传感器感测到的温度和设定值进行对比，如果不同，则相应地控制温箱进行升温或者降温，直到标准温度传感器传来的温度值达到预先设定值，并且稳定一定时间后，开始进行待测温度传感芯片的测试，FPGA读取数据，对数据进行处理存储。待测芯片的相关数据采集完成后，FPGA与温箱进行通信，使温箱的温度变化到-35℃，检查到温度稳定后再进行测试，以此类推，直到测试全部完成。通过该模块能大大节约人力，实现全自动化的温度环境下的测试。
本发明针对不同的待测温度传感芯片，需要有不同的时序提供。在平台测试之前，通过FPGA编写RTL代码得到我们所需的所有时序。通过简单的硬件设计搭载台，将生成的时序入搭载台上芯片对应的端口处，使被测芯片正常工作。取得测试温箱的通信协议后，设计程序，实现FPGA对温箱的自动温度控制。
接着通过FPGA编写RTL代码并借助外部DAC电路产生标准的正弦波激励输入给待测芯片，然后将待测芯片产生的信号返回给FPGA，储存在寄存器中。FPGA会进行相关处理，得出我们需要的参数并在LCD上显示出来。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种CMOS温度传感芯片测试***，其特征在于：包括温控温箱及置于所述温控温箱内的FPGA模块、用于搭载待测温度传感芯片的待测芯片搭载模块、LCD显示模块、DAC电路、低通滤波电路；
所述温控温箱由所述FPGA模块控制进行待测温度传感芯片的测试温度的自动调整；
所述FPGA模块通过所述待测芯片搭载模块为待测温度传感芯片提供测试时序，并通过所述DAC电路及低通滤波电路为待测温度传感芯片提供标准正弦信号，在不同测试温度下，将待测温度传感芯片输出的信号与标准正弦信号比较，进而处理获取待测温度传感芯片的参数，具体即：通过FPGA模块对待测温度传感芯片进行一个周期的数据采集，并对该数据进行傅里叶变换；然后通过对傅里叶变换后的值进行计算，即可得到待测温度传感芯片包括偏移量、信噪比、增益、信号与噪声失真之比、总谐波失真的参数；
所述LCD显示模块用于实现人机交互及测试时待测温度传感芯片的参数的显示；
所述FPGA模块产生测试时序的方式为：通过对输入FPGA的固定频率时钟源进行分频处理，得到待测温度传感芯片所需时序的最小单位时间，通过对该最小单位时间计数，根据计数值FPGA模块输出高低电平信号至所述待测温度传感芯片，直至计数值达到待测温度传感芯片所需时序的周期，完成一个周期时序信号输出；
所述FPGA模块对所述温控温箱进行待测温度传感芯片的测试温度的自动调整方式为：
S21：通过在靠近待测温度传感芯片测试处设置一与所述FPGA模块连接的标准温度传感器；
S22：通过FPGA模块设置待测温度传感芯片测试时的起始测试温度值T及间隔测试温度值△T；
S23：通过标准温度传感器检测温控温箱当前温度值T1，并发送至所述FPGA模块；
S24：FPGA模块将温控温箱当前温度值T1与起始测试温度值T比较，根据比较结果控制温控温箱进行相应的升温或降温，直至调整后的温度值与起始测试温度值T一致，进行该温度下待测温度传感芯片测试；待该温度下测试完成后，FPGA模块控制温控温箱升温或降温，直至标准温度传感器检测的温度值T2与T+△T一致，进行该温度下待测温度传感芯片测试；同理，直至完成芯片的所有测试温度调整。
2.根据权利要求1所述的一种CMOS温度传感芯片测试***，其特征在于：所述FPGA模块通过内置的ROM存储正弦波量化参数。
3.根据权利要求1所述的一种CMOS温度传感芯片测试***，其特征在于：还包括一与所述FPGA模块连接按键模块，以便于调整所述FPGA模块为待测温度传感芯片输出的正弦信号。
4.根据权利要求1所述的一种CMOS温度传感芯片测试***，其特征在于：所述FPGA模块采用Altera DE2-115。
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