開放式FPGA增加測試靈活度

old2009

當今大多數的儀器透過將封閉式FPGA與固定韌體相結合的方式來實現儀器的各種功能。如果您看過一個拆解後的示波器，應該看到裡面的FPGA了。FPGA能提高測試儀器的處理能力，而且如果您會使用儀器中的開放式FPGA，就可以自行編寫儀器的測試功能。


儀器廠商很早就掌握了FPGA的優勢，而且也利用其獨特的處理能力來建置儀器的各種特性：在示波器上進行預觸發擷取；在向量訊號分析儀(VSA)上以訊號處理產生I和Q數據；以及即時為高速數位儀器建置圖形產生和向量的比較。


測試設備製造商正致力於協助用戶更有效地利用FPGA，從而為更多的特定應用實現最佳化。FPGA具有確定且即時的處理、真正的平行執行、可重配置與低延遲等關鍵特性，使其特別適用於測試應用。


此外，利用開放式FPGA可達到以前無法實現的哪些功能呢？為了說明這些可能性，以下介紹一些利用開放式FPGA的常見測試應用。


加速測試系統


在量產產線的終端生產測試中，測試時間分秒必爭。當生產線的測試速率與生產速率可相互配合，生產效率達到最大。如果無法配合，則必須採用創新的技術來縮短測試時間。傳統的方法透過乙太網路、USB或GPIB將獨立的桌上型儀器連接到PC主機。由於待測物(DUT)透過不同的數據匯流排分別進行控制、測量和處理，因而所需要的測試時間相對較長。另一種方法是使用開放式FPGA來加速該過程，

FPGA並未利用外部通訊匯流排，而是使用PXIe等高速匯流排來連接儀器，並透過其配置埠(如I2C、SPI或其他控制匯流排)連接到DUT。在此類應用中，FPGA可控制DUT、觸發其他儀器開始擷取採樣數據，甚至對這些採樣數據進行處理，將其轉換成對主機有意義的結果。


低延遲是能夠加速此類應用執行速度的一個關鍵因素。FPGA本身並不具有作業系統，它是在具有高速時脈速率的硬體上實現所有邏輯。這意味著一個響應可能需要一個時脈週期來進行擷取、一個時脈週期來進行處理以及一個時脈週期來做出響應。如果時脈速率為200MHz(時脈週期為4ns)，則一個完整的響應需要12ns。由於FPGA的確定性特性，這種響應並不是一次性的，而是每一次都是12ns。因此，FPGA就可以省去與主機相關的延遲，而且能以最小化主機處理的非確定性延遲。


協議感知


並不是所有的數位和MEMS元件都能針對已知的結果向量進行測試。例如，為PDM(脈衝密度麥克風)提供一個激勵訊號，由於PDM的類比特性，每次測試得到的位元串流都不一樣。為了取得此類DUT相關的有意義結果，首先必須根據相應協議解碼數位串流，之後再比較結果。使用開放式FPGA，可針對測試系統進行配置，在FPGA上執行PDM協議，而不是將其傳輸到CPU上進行解讀。從更廣泛的角度來說，您可以今天對FPGA進行配置來執行PDM協議，明天也對同一個FPGA進行重新配置來執行其他協議，以測試數位溫度感測器、加速度計或MEMS元件。


在圖2中，協議並不是在CPU上執行，而是在FPGA上。正因為如此，該測試系統可支援快速握手協議，適應精確等待週期等協議行為，並根據該通訊做出決策。這種方法不僅可接收來自DUT的更高層級數據，如PDM麥克風解碼後的類比數據，而且也可以讓您使用更高層級的命令來編寫測試腳本。



閉環測試：功率放大器


在無線通訊系統中，功率放大器(PA) IC可在將訊號發送至天線之前增加訊號的強度。PA通常在一個特定的輸出功率下具有特定的性能。因此，當PA在特定輸出功率電平下執行時，有必要對PA進行測試。但是，我們通常只是粗略地知道放大器的增益(例如±3分貝)，而且放大器的增益在設備執行範圍內是非線性的。越接近最大輸出功率，增益越低。因此，在進行任何性能測量之前必須「調整」放大器的輸出。輸出調整通常稱為功率調整或功率伺服。其基本原理是調整放大器的輸入功率直至測量得到正確的輸出功率。


用於測量PA的傳統測試裝置如圖3所示。向量訊號產生器(VSG)產生一個激勵波形至DUT。功率計可確保DUT輸出的是正確的功率電平。最後，VSA測量DUT的性能──如誤差向量幅度(EVM)或鄰通道功率(ACP)。這些測量是在各種中心頻率和功率電平下進行的。



用於測量PA輸出的傳統測試配置包含一個VSG、VSA和功率計
圖3：用於測量PA輸出的傳統測試配置包含一個VSG、VSA和功率計。


PA的輸出功率必須根據每個所需的中心頻率和功率電平進行調整。在調整過程中可以遵循以下步驟：(1)根據DUT的估算增益，選擇一個起始VSG功率電平；(2)設置VSG功率電平；(3)等待VSG穩定；(4)等待DUT穩定；(5)使用功率計進行測量；(6)如果功率在量程內，則退出。否則運算新的VSG功率電平，並返回步驟2。


調整所需的時間取決於DUT的類型、所需的精密度以及所使用的儀器類型，通常為幾百毫秒到幾秒。調整完成後，使用VSA進行性能測量。


圖4顯示的是一個DUT在調整過程中的輸出，該設備採用傳統方法來獲得28dBm的平均輸出功率。如果PA的增益呈線性且匹配數據表中規定的標準增益，則VSG產生的第一個點會輸出28dBm的功率。相反地，放大器的輸出只有26.5dBm，說明PA規定的標準增益並不準確。因此，需要對VSG輸出功率進行調整，同時VSA擷取另一個點。此時的平均功率為27.6dBm，這顯示了放大器處於增益壓縮狀態。總體上，該方法需要七個步驟以及大約150毫秒的時間才能使放大器的輸出達到所需的等級。在這個例子中，每個步驟的DUT穩定時間為10ms。但是，穩定時間根據每個DUT而有所不同，從而大幅影響整體的調整時間。