干货！关于混合信号测试系统的那些事

当把模拟电路和数字电路集成到同一颗电路芯片里，混合信号集成电路就诞生了。而这类集成电路所对应的测试系统就被称为混合信号测试系统。 

得益于 DSP 技术的发展，现代混合信号测试系统比传统混合信号测试系统有了更多的优点：

01可以高度并行地进行参数测试，缩短测试时间，从而降低测试成本。

02可以把各个频率的信号分量区分，即把噪声和谐波分量从测试频率中分离出来，提高产品的可测试性。

03可以使用不同的函数处理数据，满足不同需求。

我们周围的许多信号，如声波、光束、温度、压力等都是模拟信号。现今基于信号处理的电子系统都必须先把这些模拟信号转换为能与数字存储、数字传输和数学处理兼容的离散数字信号。然后把这些离散数字信号存储在计算机阵列之中用数字信号处理函数进行必要的数学处理。

纯数学理论上，如果满足某些条件，连续信号在采样之后可以通过重建完全恢复到原始信号，而没有任何信号本质上的损失。不幸的是，现实世界总不能如此完美，实际上连续信号和离散信号之间的转换总会有信号的损失。

采样用于把信号从连续信号（模拟信号）转换到离散信号（数字信号），重建用于相反的过程。

ATE依靠采样和重建向待测芯片施加激励信号并测量它们的响应，具体的测试包含了数学上的和物理上的采样和重建。 

混合 IC 测试使用的混合测试系统架构如下图所示，它包括了数字子系统和模拟子系统、时钟及时序同步控制、系统控制电源、用户使用控制界面和系统接口五个部分。 

↑ 混合信号测试机系统图

模拟与数字子系统

传统的模拟部分测量通过给被测器件施加一个单频点的连续波形（如正弦波），然后用均方根（RMS）仪表测量被测器件输出。这种量测方式虽然简便，但也存在固有的缺点。
 

01多频点的测量会增加更多测试时间。

02RMS测量无法区别信号与噪声。

基于 DSP 的测试系统中，通常需要两种设备作为模拟信号源和测量工具：

1) 任意波形发生器（Analog Waveform Generator，AWG）

2) 波形采集器（Waveform Digitizer，DGT）

模拟子系统包括波形采集器 DGT、波形数据存储器、数字信号处理器 DSP、波形发生器 AWG以及可矩阵连到模拟引脚的高精度 AC 量测单元。

混合信号 IC 测试时需要使用 AWG 将对应的模拟管脚提供模拟波形，使用DGT 对输出管脚信号进行波形数据采集，使用 DSP 对采集的波形数据进行处理。 

AWG

AWG 波形发生器结构如下图。波形存储器经 D/A 转换器把波形数据转换成阶梯电压输出，然后经过低通滤波器把阶梯电压处理成一个平滑的连续波信号，以作为模拟器件测试时需要的输入。通常 AWG 还会包含差分输出和偏置电路，以满足不同的信号要求。

↑ 波形发生器结构图

AWG 可产生低于低通滤波器截至频率的任意波形，当然根据奈奎斯特定理产生频率的最高谐波分量不能超过 AWG 采样频率的 1/2。
 

DGT
 

波形采集器结构见下图，其处理信号的过程与 AWG 相反，是将获得的模拟信号经缩放和平移，再经过抗混叠滤波器连续时间的滤波处理，通过A/D转换器转换为数字信号并存储，获得数据后再经数字信号处理器 DSP 进行波形数据分析处理。

↑ 波形采集器结构图

DGT 通常在信号采集端以增益可调电路处理不同的信号，以便经过处理的信号能够满足 DGT的信号输入要求。DGT 一般还包含跟踪保持电路，这使其可以根据“欠”采样定理完成高频信号的采集。

数字子系统的结构与数字测试机相同，用来向被测器件提供控制信号使器件进入对应的工作状态，提供 D/A 的数字输入，采集 A/D 的输出。

测试同步(Synchronization)

在混合信号集成电路测试过程中，需要使用数字功能资源、AWG 资源以及 DGT 资源等等，在执行过程中必须有同步控制。只有保证模块间的启动停止、模块的内部时序、模块采样频率与输入的信号频率严格同步，才能高效精确地完成测试任务。 

混合信号集成电路测试系统一般具有高数据速率、高定时准确度、高通道数及高测试向量的数字测试能力。这就决定了混合信号测试系统中一般由数字部分占据主导地位。同时，混合信号测试的时序以数字测试为基础，而数字测试是以周期的方式进行的，所以采用数字同步的方式最为合理。 

也因此，在通常情况下， AWG 和 DGT 都会预留外部触发信号接口，用户可以把数字通道与触发接口相连接，以便在测试向量执行的过程中更加精确地触发信号发送和测量。