智能芯片測試系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

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1、智能芯片測試系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計 摘要 隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，智能芯片測試系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。測試過程應(yīng)用于智能芯片的制造過程，其主要目的都是為智能芯片質(zhì)量與可靠性提供一種度量。 本文介紹了智能芯片測試的重要地位，分析了芯片測試系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀，提出了相應(yīng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)選擇美國NI公司的數(shù)據(jù)采集卡（NI-DAQ）PCI-6221對待測參數(shù)進(jìn)行采集，應(yīng)用LabVIEW編程語言對該測試系統(tǒng)的控制部分以及結(jié)果比對部分進(jìn)行了設(shè)計，最終實現(xiàn)了一個閉環(huán)的測試系統(tǒng)的設(shè)計并給出測試結(jié)果，主要用D/A芯片來實現(xiàn)設(shè)計。 與傳統(tǒng)的測試方法相比，設(shè)計更開放與靈活，便于修改，成功的實現(xiàn)了數(shù)字端口

2、的控制，模擬量的采集以及結(jié)果的比對與顯示。 關(guān)鍵字：虛擬儀器，LabVIEW，數(shù)據(jù)采集 Abstract With the rapid development of the computer technology and microelectronics technology,Smart chip-testing systems are used more widely. The testing process are used in smart chip process,

3、Main purpose is to provide a measure for smart chip quality and reliability. The article introduces the important role of the smart microchip testing and analyzes the chip test system development and situation. It also puts forward the corresponding design scheme. The system uses data acquisi

4、tion card to collect the measuring parameters and chooseAmerica NI company’s data collection card (DAQ)M series NI-models :PCI6221 for acquisition signal equipment, applies the LabVIEW programming software for the test system software parts, the control parts and the result.The LabVIEW realizes the

5、 design of closed loop testing system and gives out the results, Mainly use D/A chip to implement the design. Compared with the traditional test methods, it is more open and flexible, easy to modify. It makes the design of digital control ports, analog capture and compare and display the results

6、succeed. Key words: virtual instrument，LabVIEW Electromagnetic interference，Data acquisition. 目 錄 第一章 前沿1 1.1 課題背景及研究意義1 1.1.1現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的熱點研究1 1.1.2測試系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的產(chǎn)生2 1.2 研究意義2 1.3 D/A芯片測試方法發(fā)展現(xiàn)狀3 1.4 課題研究內(nèi)容和研究方法3 第二章 總體方案設(shè)計5 2.1 選用的D/A芯片測試技術(shù)的設(shè)計7 2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介紹9 2.2.1 數(shù)據(jù)采集卡的功能9 2.

7、2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成10 2.2.3 信號調(diào)理13 2.2.4 數(shù)據(jù)采集過程14 第三章 D/A芯片測試及數(shù)據(jù)采集調(diào)試16 3.1 靜態(tài)參數(shù)測試部分16 3.1.1 靜態(tài)參數(shù)測試功能16 3.1.2 靜態(tài)參數(shù)輸出控制部分的設(shè)計16 3.1.3 靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計21 3.1.4 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)調(diào)試25 3.2 動態(tài)參數(shù)測試部分26 3.2.1 動態(tài)參數(shù)測試功能26 3.2.2動態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制部分和動態(tài)數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計26 3.2.3 動態(tài)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)調(diào)試36 第四章 總結(jié)與展望38 4.1 總結(jié)38 4.2 展望39 參 考

8、文 獻(xiàn)40 致 謝41 第一章 前 言 1.1 課題背景及研究意義 1.1.1現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的熱點研究 在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的今天，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)要取得成功的關(guān)鍵因素之一就是產(chǎn)品合格的質(zhì)量；在軍事領(lǐng)域里面，要求武器裝備要有更高的可靠性，保障性和可維修性。另一方面，由于現(xiàn)代工業(yè)及科技的迅速發(fā)展，自動化程度也越來越高，設(shè)備的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，不僅僅同一設(shè)備的不同部分之間相互關(guān)聯(lián)，緊密耦合，而且不同設(shè)備之間也存在著緊密聯(lián)系，在運行過程中形成了一個不可分割的整體。因此，如果設(shè)備某一部分發(fā)生了故障，就可能引起一系列連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個設(shè)備不能正常運行，輕者造成停機(jī)，停產(chǎn)，重則產(chǎn)生嚴(yán)

9、重的甚至災(zāi)難性的人員傷亡。最典型的由于設(shè)備運行出現(xiàn)的故障而引起的災(zāi)難有：1986年4月，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站放射性泄漏事故，損失達(dá)到30億美元，核污染波及周邊各國。2003年2月載有7名宇航員的美國哥倫比亞號航天飛機(jī)，在結(jié)束了為期16天的太空任務(wù)之后，返回地球時，在著陸前發(fā)生意外故障，航天飛機(jī)全部解體墜毀，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且使人類探索太空的航天遭到重大影響。 因此，如何檢測系統(tǒng)并且讓它正常的運行已成為一個十分重要的問題。 故障檢測技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)中起到了極為重要的作用，并且已經(jīng)成為科學(xué)界的熱點研究之一。它是一門在近40年終發(fā)展起來的，為了更好地適應(yīng)各種工程而形成的多學(xué)

10、科交叉的綜合學(xué)科，其研究的領(lǐng)域涉及到多門學(xué)科的理論，如數(shù)理統(tǒng)計、模糊集理論、可靠性理論、信息處理、模式識別、人工智能等學(xué)科的理論。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的一部分會表現(xiàn)出與物理量的正常狀態(tài)不同的特性，這種差異性包含有豐富的故障信息，根據(jù)故障的特征描述，利用它來進(jìn)行故障的檢測分離及辨識就是故障診斷的任務(wù)和目的。 1.1.2 測試系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的產(chǎn)生 測試過程應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造過程，不論這種產(chǎn)品的形式是單個管芯還是封裝好的成品元件，其主要目的都是為半導(dǎo)體成品質(zhì)量與可靠性提供一種度量。因此，測試對于確保集成電路產(chǎn)品的質(zhì)量是必不可少的。測試技術(shù)過程如圖1-1圖所示： 圖1-1

11、 測試技術(shù)過程 測試的目的是為了檢驗制造后的產(chǎn)品是否有故障。要測試電路，首先需要建立故障模型。對于數(shù)字電路而言，故障是有問題的電路在邏輯級的描述。故障模型有兩種：描述影響元器件簡介鏈接的故障模型和描述可能改變元器件真值表的故障模型。 在確認(rèn)故障模型后，可以生成針對被測電路的所有要檢測的故障的列表。然后進(jìn)行故障模擬，常用于故障模擬的算法有：串行故障模擬、并行故障模擬、推演故障模擬等。這個過程是將故障列表中的故障加入到電路描述中，并施加測試向量，分析和比較被測電路的輸出響應(yīng)和理想響應(yīng)，就可以測試給定的故障出現(xiàn)的條件并生成測試向量集。 1.2 研究意義 隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅

12、速發(fā)展，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用越來越普及，測試費用在集成電路制造生產(chǎn)和檢修過程中所占的比例已經(jīng)越來越高，研究適合現(xiàn)代電子設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)就具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。數(shù)字芯片測試系統(tǒng)是整個測試儀中一個非常重要的組成模塊，本論文介紹了系統(tǒng)測試儀中芯片測試系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換原理，數(shù)據(jù)采集卡的使用，LabVIEW編程語言的運用等。 隨著深亞微米技術(shù)的應(yīng)用，芯片規(guī)模不斷增加，使得測試成為VLSI設(shè)計費用中最高，難度最大的一個環(huán)節(jié)。據(jù)報道，測試費用可占到芯片制造成本的50%以上，為了提高測試效率，近十年來，測試方法學(xué)的研究日益受到重視。 在集成電路產(chǎn)品開發(fā)的整個流程中，可測試性設(shè)

13、計對于提高產(chǎn)品可靠性和成品率是不可忽略的。因此，正確的設(shè)計并不能保證制造出來的芯片就一定能夠正常的工作。在制造過程中由于制造工藝和制造環(huán)境等多種原因，可能會使制造后的電路出現(xiàn)各種各樣的物理缺陷問題，比如線與線之間或者層與層之間出現(xiàn)短路，線與線之間出現(xiàn)開路等，這些都會導(dǎo)致制造后的電路與預(yù)期的結(jié)果不一樣，而不能正確的工作。 如果故障芯片已經(jīng)裝在了PCB上，可能會造成整個PCB維修甚至更換，這種更換的成本是相當(dāng)大的，所以出場前進(jìn)行完整的測試是相當(dāng)重要的，雖然為提高芯片制作質(zhì)量做出了很大的努力，卻不可避免的出現(xiàn)制作故障和生產(chǎn)出廢品。 1.3 D/A芯片測試方法發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前，數(shù)字處理系統(tǒng)正在飛速

14、發(fā)展，在通信領(lǐng)域，過去無線通信系統(tǒng)的設(shè)計都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用調(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。而軟件無線電技術(shù)(SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術(shù)，大大地推動了無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測量領(lǐng)域，高級儀表的分辨率在不斷提高，電流到達(dá)μA量級，電壓到達(dá)mV甚至更低。 為了滿足數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展要求，D/A轉(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個方向發(fā)展: 高轉(zhuǎn)換速度：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度越來越快，要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。 高精度：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此，D/A轉(zhuǎn)換

15、器的分辨率也必須隨之提高。 低功耗：片上系統(tǒng)(SOC)已經(jīng)成為集成電路發(fā)展的趨勢，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數(shù)字電路。為了完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能，大系統(tǒng)中每個子模塊的功耗應(yīng)盡可能地。 1.4 課題研究內(nèi)容和研究方法 通過本設(shè)計所研究與設(shè)計基于LabVIEW的D/A芯片測試系統(tǒng)，針對工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在D/A芯片的設(shè)計投入使用前，需要對其進(jìn)行模擬干擾環(huán)境下的測試這一問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。不但利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)出一種基于LabVIEW的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以對壓力、溫度、頻率移等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，而且利用LabVIEW平臺的數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)來實現(xiàn)高精度的數(shù)

16、字控制。課題的研究主要內(nèi)容是基于LabVIEW的D/A芯片的測試系統(tǒng)設(shè)計，其中主要包括靜態(tài)電壓參數(shù)的設(shè)計、動態(tài)電壓參數(shù)的設(shè)計、基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計。 在LabVIEW語言程序設(shè)計的過程中包括三個部分:前面板、框圖程序和硬件電路，因此一個VI程序的設(shè)計主要包括前面板的設(shè)計、框圖程序的設(shè)計以及DAQ卡的連接和調(diào)試。 1. 前面板 虛擬儀器的面板設(shè)計都在這個窗口中完成，并且在前面板中執(zhí)行對儀器的操作。應(yīng)根據(jù)實際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實現(xiàn)的功能來設(shè)計前面板。前面板中主要由輸入控制器和輸出指示器組成。利用工具模板來添加輸入控制器和輸出指示器?？刂破魇褂脩艨梢?/p>

17、輸入數(shù)據(jù)到程序,而指示器則用來顯示程序產(chǎn)生的數(shù)值。 2. 框圖程序 實現(xiàn)虛擬發(fā)生器的所有程序都在這個窗口中完成。程序相當(dāng)于源代碼,只有在創(chuàng)建了框圖程序以后該程序才能真正運行。所以在設(shè)計好前面板以后,就要根據(jù)各個框圖之間的關(guān)系以及對數(shù)據(jù)的處理方法等設(shè)計框圖程序。對框圖程序的設(shè)計主要是對節(jié)點、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計。 3. DAQ卡的連接和調(diào)試 DAQ系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生或測量。但是要使計算機(jī)系統(tǒng)能夠測量物理信號，必須要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或者電流信號）。有時不能把被測信號直接連接到DAQ卡，而必須使用信號調(diào)理輔助電路，先將信號進(jìn)行一定的處理?？傊?，數(shù)據(jù)采集是借助

18、軟件來控制整個DAQ系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、給出結(jié)果等。所以在設(shè)計好前面板和框圖程序后，就要連接DAQ的硬件電路，使其軟件通過DAQ卡完成數(shù)據(jù)采集。 第二章 總體方案設(shè)計 本設(shè)計所研究與設(shè)計是基于LabVIEW的D/A芯片測試系統(tǒng)，針對工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在D/A芯片的設(shè)計投入使用前，需要對其進(jìn)行模擬干擾環(huán)境下的測試這一問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。課題的研究內(nèi)容主要包括靜態(tài)參數(shù)的設(shè)計、動態(tài)參數(shù)的設(shè)計、基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計。 2.1本課題選用的D/A芯片測試系統(tǒng)的設(shè)計 D/A芯片外部連線如下圖2-3所示 圖2-3

19、D/A芯片外部連線 D/A芯片測試系統(tǒng)的設(shè)計步驟 實際設(shè)計中選用的方案，D/A芯片外部連線如下圖2-4所示 圖2-4 D/A芯片外部連線 （1）：連接給定模擬數(shù)值，通過十進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制信號通過采集面板A的Line0～3位數(shù)字輸出端口與Line4～7位端口相連。 （2）：采集卡在其內(nèi)部做D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化出數(shù)字信號。 （3）：檢測端采集到的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換出模擬信號與最初給定的模擬信號做對比，得出結(jié)論。 2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介紹 2.2.1.數(shù)據(jù)采集卡的功能 一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器/計時器等

20、，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。 模擬輸入是采集最基本的功能。它一般由多路開關(guān)（MUX）、放大器、采樣保持電路以及A/D來實現(xiàn)，通過這些部分，一個模擬信號就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。A/D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實際需要的精度來選擇合適的A/D。 數(shù)字輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）的建立時間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。建立時間短、轉(zhuǎn)換率高的D/A可以提供一個較高頻率的信號。應(yīng)該根據(jù)實際需要選擇D/A的參數(shù)指標(biāo)。 數(shù)字I/O通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)（

21、line）、接收 (發(fā)送)率、驅(qū)動能力等。如果輸出去驅(qū)動電機(jī)、燈、開關(guān)型加熱器等用電器，就不必用較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對象配合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動電流。但加上合適的數(shù)字信號調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的TTL電平信號去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。數(shù)字I/O常見的應(yīng)用是在計算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字I/O。 許多場合都要用到計數(shù)器，如定時、產(chǎn)生方波等。計數(shù)器包括三個重要信號：門限信號、計數(shù)

22、信號、輸出。門限信號實際上是觸發(fā)信號——使計數(shù)器工作或不工作；計數(shù)信號也即信號源，它提供了計數(shù)器操作的時間基準(zhǔn)；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率，高分辨率意味著計數(shù)器可以計更多的數(shù)，時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢，頻率越高，計數(shù)速度就越快。 2.2.2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成 圖2-5 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的結(jié)構(gòu) 1．緩沖（Buffers） 這里的緩沖指的是PC內(nèi)存的一個區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖），它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到Buffer，你就可以先將它們

23、快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機(jī)的內(nèi)存。不使用Buffer意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理（圖形化、分析等），因為這里沒有一個場合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點。 下列情況需要使用Buffer I/O： ① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或?qū)崟r分析的速度。 ② 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生AC數(shù)據(jù)（>10樣本／秒），并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 ③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻

24、地通過數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用Buffer I/O： ①數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 ②需要縮減存儲器的開支。 2．觸發(fā)（Triggering） 觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動/停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模擬通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初

25、始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出（常稱為“trigger out”）用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)幾個部分組成。 數(shù)據(jù)采集硬件有多種多樣的形式。數(shù)據(jù)采集硬件的選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用場合并考慮到自己現(xiàn)有的技術(shù)資源。 本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)設(shè)計要求選用National Instruments 多功能I/O采集卡NI PCI-6221。如下圖2-6： 其性能指標(biāo)如下： －16路單端模擬輸入 －16bit分辨率 －200kS/s采樣率 －200kS/s磁盤寫入速度 －0.1～1

26、0v的輸入范圍 －2路16位模擬輸出 －8條數(shù)字I/O接口 －2路24位計數(shù)/定時器 －帶校準(zhǔn)認(rèn)證數(shù) －支持Windows2000/NT/XP的NI-DAQ軟件驅(qū)動 數(shù)據(jù)采集的程序由LabVIEW軟件編制，基本界面為數(shù)據(jù)采集的顯示由示波器顯示波形，還包括數(shù)字顯示和啟動開關(guān)。 圖2-6 數(shù)據(jù)采集卡 通過PC機(jī)的I/O口，通過數(shù)據(jù)輸入端用數(shù)據(jù)輸入線和實驗設(shè)備相連，在實驗設(shè)備的輸出端有個轉(zhuǎn)換電路，可以將實驗系統(tǒng)中存在的信號（位移、壓力等）轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)卡所能采集的信號，下圖2-7是接線端子BNC—2120的面板。 圖2-7

27、 接線端子BNC—2120的面板 NI公司的數(shù)據(jù)采集卡可以使用內(nèi)部時鐘來設(shè)置掃描速率和通道間的時間間隔。多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)通道時鐘（channel clock）按順序掃描不同的通道，控制一次掃描過程中相鄰?fù)ǖ篱g的時間間隔，而用掃描時鐘（scan clock）來控制兩次掃描過程的間隔。通道時鐘要比掃描時鐘快，通道時鐘速率越快，在每次掃描過程中相鄰?fù)ǖ篱g的時間間隔就越小。 2.2.3 信號調(diào)理 　　從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用功能，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求

28、來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能。下面僅介紹信號調(diào)理的通用功能。 1.放大 　　微弱信號都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配。信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號源或傳感器，使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。 2.隔離 　　隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免直接的電連接。使用隔離的原因由兩個：一是從安全的角度考慮；另一個原因是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。 3

29、.濾波 　　濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。大多數(shù)信號調(diào)理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號。某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器。 4.激勵 　　信號調(diào)理也能夠為某些傳感器提供所需的激勵信號，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等需要外界電源或電流激勵信號。很多信號調(diào)理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵。 5.線性化 　　許多傳感器對被測量的響應(yīng)是非線性的，因而需要對其輸出信號進(jìn)行線性化，以補(bǔ)償傳感器帶來的誤差。但目前的趨勢是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用軟件來解決這一問題。 6.數(shù)字信號調(diào)理 即使傳

30、感器直接輸出數(shù)字信號，有時也有進(jìn)行調(diào)理的必要。其作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整。大多數(shù)數(shù)字信號調(diào)理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O直接控制電磁閥、電燈、電動機(jī)等外部設(shè)備。 2.2.4數(shù)據(jù)采集過程 對于D/A芯片測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，其基本過程是在系統(tǒng)中的數(shù)字輸出端接入我們數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸入口DI端，在程序框圖有一個轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)中的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并且輸出數(shù)據(jù)采集卡，這樣我們才能對系統(tǒng)中的信號進(jìn)行采集，如圖2-8所示。 圖2-8 數(shù)據(jù)采集過程 第三章 D/A芯片測試及數(shù)據(jù)采集調(diào)試 3.1 靜態(tài)參數(shù)測試部分

31、 3.1.1 靜態(tài)參數(shù)測試功能 采用單個模擬信號作為初始信號，通過將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后把數(shù)字量輸出，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，將輸出數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并且將它和作為初始信號的模擬信號作比較，從而起到檢測D/A芯片單個點的目的。 3.1.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制部分的設(shè)計 用LabVIEW8.2軟件編程，編程過程如下： 首先新建一個界面，如下圖3-1所示。 圖3-1 新建界面 彈出一個對話框， 單擊“新建VI”后出現(xiàn)兩個工作區(qū)，前面板和程序框圖，如下圖3-2所示。 圖3-2 前面板和后面板 右鍵程序框圖，將出現(xiàn)一個界面，點擊測量I/

32、O中DAQmax-Dat，單擊DAQAssistant 如下圖3-3所示。 圖3-3 DAQ Assistant 將彈出以下對話框。由于模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字端口輸出，那么DAQ的接收端應(yīng)該是數(shù)字輸出，所以我們將選擇Line Output，如下圖3-4所示。 圖3-4 Line Output 單擊Line Output之后，又將出現(xiàn)一個對話框，按住shift并選擇Line0，1，2，3，如下圖3-5所示。 圖3-5 選取通道 單擊finish之后，又將出現(xiàn)一個對話框， 單擊OK即可。 新建顯示控件并且將名稱改為電壓數(shù)值，則前面板如下圖3-6所示。 圖3

33、-6 電壓數(shù)值 再在程序框圖中單擊右鍵，從函數(shù)編程布爾中選擇數(shù)值至布爾轉(zhuǎn)換，在程序框圖中單擊右鍵，從簇與變體中選擇解除捆綁，如下圖3-7所示。 圖3-7 解除捆綁 在前面板單擊右鍵，從布爾中中選擇圓形指示燈，在程序框圖中右鍵，在數(shù)組中選擇創(chuàng)建數(shù)組，連接程序框圖，如下圖3-8所示。 圖3-8 程序框圖的布局 3.1.3 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計 在程序框圖選擇函數(shù)測量I/O，從測量I/O中選擇DAQ，在獲取信號中選擇數(shù)字信號Line Input，如圖3-9所示。 圖3-9 輸入數(shù)據(jù)類型的選擇 選擇四個通道Line0～3，如下圖3-10所示： 圖3-10

34、輸入端口的選擇 在布爾中選擇布爾數(shù)組至數(shù)值轉(zhuǎn)換，并與采集數(shù)值顯示相連接，如圖3-11所示。 圖3-11布爾控件 將采集的模擬量和之前的模擬量做差取絕對值，之后與DA精度 相對比如果誤差是在精度范圍之內(nèi)，那么將得出正確結(jié)果，如圖3-12所示。 圖3-12 計算比較 在程序框中右鍵,從編程結(jié)構(gòu)中選擇條件結(jié)構(gòu)，當(dāng)條件為真時，結(jié)果輸出正確，如下圖3-13所示。 圖3-13 判斷條件為“真” 當(dāng)條件為真時，結(jié)果輸出錯誤，如下圖 3-14 所示。 圖3-14 判斷條件為“假” 程序框圖中選擇While循環(huán)，將所有部件放入While循環(huán),如下圖3-15所示。 圖3

35、-15 While循環(huán) 3.1.3 靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的調(diào)試 以靜態(tài)電壓的數(shù)據(jù)采集和控制為例，電壓范圍是0～+10V，點擊運行，進(jìn)行調(diào)試， 給定電壓值為1V，量程指針對應(yīng)地停在1位置，LED的二進(jìn)制碼對應(yīng)的“1”燈亮，輸出為1V，輸出結(jié)果正確，如下圖3-16所示。 圖3-16 給定值為2V時的圖像 給定電壓值為7V，量程指針對應(yīng)地停在7位置，LED的二進(jìn)制碼對應(yīng)的“4”、“2”、“1”燈亮，輸出為7V，輸出結(jié)果正確，如下圖3-17所示。 圖3-17 給定值為7V時的圖像 3.2 動態(tài)參數(shù)測試部分 3.2.1 動態(tài)測試功能 采用正弦模擬信號作為初始信號，將正

36、弦劃分等時的間隔點，把每個點對應(yīng)的電壓幅值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后把數(shù)字量輸出，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，將輸出數(shù)字采集卡的數(shù)字信號的采集點轉(zhuǎn)換為模擬信號后和作為初始信號的模擬信號的點一一作比較，從而起到檢測D/A芯片動態(tài)點的目的。 3.2.2 動態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制部分和數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計 用LabVIEW8.2軟件編程，編程過程如下： 首先新建一個界面，右鍵程序框圖，將出現(xiàn)一個界面，點擊信號處理波形生成中的正弦波形，單擊，如下圖3-18所示。 圖3-18 正弦波形 按照提示幫助將幅值控件和頻率常量與正弦波形對應(yīng)的接點相連接，如下圖3-19所示。 圖3-19 正弦波形連接圖 右

37、鍵前面板，將出現(xiàn)一個界面，在列表與表格中選擇Express表格[12]，如下圖3-20所示。 圖3-20 Express表格 在程序框圖中右鍵，在文件I/O中選擇寫入測量文件，如下圖3-21所示。 圖3-21 寫入測量文件 彈出對話框在文件名中新建文件命名為YCL1，在如文件已存在框中選擇覆蓋文件，則程序框圖如下圖3-22所示。 圖3-22 新建文件 將以用時間設(shè)定為5s，如下圖3-23所示。 圖3-23 已用時間的設(shè)定 再在程序框圖中單擊右鍵，從函數(shù)編文件I/O中選擇讀取測量文件，如下圖3-24所示。

38、 圖3-24 讀取測量文件 彈出對話框在文件名中輸入讀取文件命名為YCL1，則程序框圖如下圖3-25 所示。 圖3-25 讀取文件名為YCL1 在數(shù)據(jù)段大小中選擇采樣點設(shè)定為1，如下圖3-26所示。 圖3-26 設(shè)定采樣點 將讀取的模擬數(shù)通過十進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換控件轉(zhuǎn)換成4位二進(jìn)制數(shù)，選取4個布爾燈分表示為8421碼，再在測量I/O中選擇DAQ Assistant，在產(chǎn)生信號的數(shù)字輸出中選擇Line Output，選擇通道Line0～3，如下圖3-27所示。 圖3-27 選擇通道 在程序框圖中將數(shù)據(jù)線連接，如下圖3-28所示。 圖3-28 連接數(shù)據(jù)線

39、 右鍵程序框圖，將出現(xiàn)一個界面，單擊測量I/O中的DAQ Assistant，彈出對話框，在接收信號的數(shù)字輸入中選擇Line Input，選擇通道Line0～3，如下圖3-29所示。 圖3-29 選擇通道 在程序框圖中右鍵，在文件I/O中選擇寫入測量文件， 彈出對話框，新建測量文件，命名為YCL2，并且選擇覆蓋文件，如下圖3-30所示。 圖3—30 新建文件 右鍵前面板，將出現(xiàn)一個界面，在列表與表格中選擇Express表格。將程序框圖連接，并且設(shè)定時間延時2s，如下圖3-31所示。 圖3-31 時間延時 將整個程序放入While循環(huán)，如下圖3-32所示。 圖

40、3-32 While 循環(huán) 在測量I/O中選擇讀取測量文件，彈出對話框選擇YCL1文件讀取，并且在數(shù)據(jù)段大小中選擇指定數(shù)據(jù)段大小采樣點為101個，如圖3-33所示。 圖3-33 YCL1文件讀取 創(chuàng)建一個Express表格，將讀取測量文件與Express表格相連接，如下圖3-34所示。 圖3-34 創(chuàng)建一個Express表格 設(shè)置For循環(huán)將循環(huán)次數(shù)定為1，如下圖3-35所示。 圖3-35 設(shè)置For循環(huán) 選擇讀取文件YCL1，選擇選定獲取指定大小的數(shù)據(jù)段，采樣點設(shè)定為一個，如下圖3-36所示。 圖3-36 讀取文件YCL1 在結(jié)構(gòu)中選擇條件函數(shù)，當(dāng)“真

41、”的時候把讀取的測量文件寫入測量文件命名為YCL3，如下圖3-37所示。 圖3-37 寫入測量文件 選擇For循環(huán)800次，前400此輸出與假條件函數(shù)連接，如下圖3-38圖所示。 圖3-38 For循環(huán) 讀取測量文件YCL3，設(shè)定數(shù)據(jù)段的大小，通過比對開始點來記錄下一個完整周期的100個點存入寫入文件YCL4中，如下圖3-39所示。 圖3-39 讀取測量文件YCL3 使用相關(guān)法將YCL1與YCL4的文件里的數(shù)據(jù)使用相關(guān)法并且顯示波形圖，如下圖3-40所示。 圖3-40 相關(guān)法出圖 3.2.3動

42、態(tài)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)調(diào)試 以動態(tài)正弦電壓波形的數(shù)據(jù)采集和控制為例，電壓幅值是0～+10V，點擊運行，進(jìn)行調(diào)試. 首先幅值為1V，運行程序點擊開始，如下圖3-48所示 圖3-48 設(shè)定幅值為1V時的圖像 幅值為5V時，運行程序點擊開始，如下圖3-49所示。 圖3-49 設(shè)定幅值為5V時的圖像 第四章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向，虛擬儀器已迅速發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國。到1994年底，虛擬儀器制造廠已達(dá)95家，共生產(chǎn)1 000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2.93億美元，占整個儀器銷售額73億美元的4%[14

43、]。到1996年，虛擬儀器已在儀器儀表市場中占有10%的份額[17]。生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家NI、HP等公司，目前都生產(chǎn)數(shù)百個型號的虛擬儀器產(chǎn)品。 LabVIEW是目前應(yīng)用最廣的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它充分利用計算機(jī)硬件資源、儀器和測控系統(tǒng)硬件資源，被廣泛應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域。 LabVIEW是一種圖形化的編程語言,使用這種語言編程時,復(fù)雜的語言編程簡化為可視化的數(shù)據(jù)流編程,以圖標(biāo)表示功能模塊,以圖標(biāo)間連線表示數(shù)值傳輸,其編程方式與用元件和導(dǎo)線組成的電子電路十分相似,形象而直觀。LabVIEW中提供大量現(xiàn)成的圖形模板,可供生成美觀實用的儀器面板； LabVIE

44、W還提供豐富實用的數(shù)值分析、數(shù)字信號處理等功能；同時，LabVIEW高度集成了各種GPIB、VXI、RS232、RS-485標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動功能,通過NI提供的眾多流行儀器的源碼級驅(qū)動程序,可輕而易舉地與外部設(shè)備進(jìn)行通訊和控制。在LabVIEW平臺上,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計可節(jié)省大量的程序開發(fā)時間[18,19]。 通過這一個學(xué)期的學(xué)習(xí)和研究我基本完成了對D/A芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和輸出系統(tǒng)、加載系統(tǒng)等的設(shè)計和編程。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，最重要的元件就是數(shù)據(jù)采集卡，它的價格也比較昂貴，用的是美國NI公司生產(chǎn)的PCI6221，性能很好。對于D/A芯片并沒有特定的型號要求。 整

45、個設(shè)計中重要的組成部分就是對于靜態(tài)與動態(tài)電壓參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計。在數(shù)據(jù)采集方面數(shù)據(jù)卡的選用是很關(guān)鍵的，我們選用了美國NI公司的PCI6221，它是M系列，250KS/s 16路，16bit低價位數(shù)據(jù)采集卡，帶2路16bit模擬輸出和24路DIO，價格大概3000元左右。 在編程方面我們選用了LabVIEW8.2進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號輸出界面的編制，在數(shù)據(jù)采集和信號輸出方面能夠滿足系統(tǒng)的要求。在整個的實驗系統(tǒng)中我們還要用到一臺PC計算機(jī)和面板采集卡、電線，插線板等 第五章 總結(jié)與展望 5.1 總結(jié) 本實驗系統(tǒng)是對D/A芯片進(jìn)行測試，實驗的要求是結(jié)合LabVIEW虛擬儀器圖形編程語言和數(shù)模轉(zhuǎn)

46、化知識進(jìn)行D/A芯片測試系統(tǒng)設(shè)計的可行性分析，國內(nèi)外現(xiàn)狀情況的調(diào)查。了解虛擬儀器的概念，掌握D/A芯片測試系統(tǒng)的基本概念和方法。應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器圖形編程語言設(shè)計一個完整的D/A芯片測試系統(tǒng)，并進(jìn)行模擬仿真實驗。在實驗的過程中使我進(jìn)一步掌握了LabVIEW的編程環(huán)境和方法，也加深了對數(shù)據(jù)采集和信號輸出的理解。 這次設(shè)計主要是采用模擬信號作為初始信號,通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字端口來輸出相應(yīng)的數(shù)字信號, 輸出之后通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬量采集功能對待測D/A的輸出的模擬量進(jìn)行測量并和理論結(jié)果進(jìn)行比較來判斷D/A工作狀態(tài)是否正常。 設(shè)計學(xué)習(xí)到了專業(yè)課的知識，比如關(guān)于LabVIEW軟件和數(shù)模轉(zhuǎn)換的

47、應(yīng)用，同時也學(xué)到了很多新的、從未接觸過的知識，比如有關(guān)數(shù)據(jù)采集方面等一些非常有用的知識。 5.2 展望 下一階段的工作是在熟練使LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡基礎(chǔ)上，利用LabVIEW中的程序控制聯(lián)機(jī)調(diào)試，以及外接其他D/A芯片測試工作，利用LabVIEW程序控制實時全面監(jiān)測D/A芯片的效果。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 劉文彥. 現(xiàn)代測試系統(tǒng)[M]. 長沙: 國防科技大學(xué)出版社, 1995：42～87. [2] 董紹平. 數(shù)字信號處理基礎(chǔ)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1996：18～56. [3] 薛亮. 一種D/A靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)的測試方法[J]. 儀器儀表學(xué)報,

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53、,1998, 30(4):12～29 . 致 謝 2011年3月初，我開始了自己的畢業(yè)論文工作，時至今日，論文基本完成。從最初的茫然，到慢慢的進(jìn)入狀態(tài)，再到對思路逐漸的清晰，整個畢設(shè)過程難以用語言來表達(dá)。歷經(jīng)了幾個月的奮戰(zhàn)，緊張而又充實的畢業(yè)設(shè)計終于落下了帷幕?；叵脒@段日子的經(jīng)歷和感受，我感慨萬千，在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我擁有了無數(shù)難忘的回憶和收獲。 在此論文結(jié)束之際，首先，向所有給與我?guī)椭椭更c的老師們表達(dá)我的感謝! 其次,向我的導(dǎo)師林順英致以崇高的敬意！林老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的學(xué)術(shù)思想、敏銳的科學(xué)洞察力、堅韌不拔的科學(xué)追求和精益求精的學(xué)者風(fēng)范，以及對學(xué)生孜孜不倦的教誨與激勵，都給我留下了非常深刻的印象。林老師給予我們無微不至的關(guān)懷，讓我終身受益。 另外，論文參閱了許多國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，是我論文寫作的依據(jù)和基礎(chǔ)，在此表示深深的感謝。 最后，再次真心的感謝各位幫助過我的老師們和同學(xué)們，你們的幫助讓我順利完成畢設(shè)；更重要的是使我學(xué)到了很多生活哲理，這對我意義深遠(yuǎn)，因為它將會使我一生受益，謝謝！