CN117110850A - 一种基于st2500测试机的mcu片上adc测试方法 - Google Patents

一种基于st2500测试机的mcu片上adc测试方法 Download PDF

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CN117110850A CN202310994299.6A CN202310994299A CN117110850A CN 117110850 A CN117110850 A CN 117110850A CN 202310994299 A CN202310994299 A CN 202310994299A CN 117110850 A CN117110850 A CN 117110850A
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冀涵颖
袁军
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
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Abstract

本发明请求保护一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法，包括以下步骤：①通过MCU的JTAG接口程序烧录，使MCU的片上ADC处于工作状态。②配置ST2500测试机，使测试机能够根据需要发出特定频率和幅度的正弦信号。③将MCU片上ADC的输入引脚与测试机发出正弦信号的引脚进行连接。④运行测试机和MCU程序，并将MCU片上ADC转换的结果读取出来。⑤对数据进行处理完成MCU片上ADC的动态参数和静态参数测试，判断MCU片上ADC是否合格。本发明提高了片上ADC测试的准确性。

Description

一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法
技术领域
本发明属于芯片测试领域，特别涉及一种基于ST2500测试机对MCU片上ADC的高精度测试方法。
背景技术
目前，MCU得到了广泛的应用和发展，人们对MCU芯片的功能性、安全性提出了更高的要求，MCU测试因此需要具备更高的可靠性与完备性。同时，由于MCU芯片的复杂度越来越高，应用的场景对MCU的要求更加严苛，高精度MCU的需求日益增加。所以，为保证MCU的质量，要对MCU的测试设计进行改进。
其中，在MCU片上ADC部分的动态参数测试中一般直接对采集到的数据进行快速傅里叶变换得到频谱图，根据频谱图得出ADC的动态参数。但是在MCU片上ADC的测试中很少考虑到在快速傅里叶变换过程的频谱泄露问题，目前已有的方法也仅对采集到的数据加入了窗函数进行处理以减小频谱泄露对ADC动态参数测量的影响。而且传统的ADC测试信号源一般由信号发生器提供，由于信号源的精度问题也会对动态参数的测量产生巨大影响。
CN115327353A，一种基于ATE的ADC量产测试方法，步骤包括：在测试板上配置高精度DAC和MCU；ATE通过SPI协议控制测试板上DAC发送阶梯波给待测芯片DUT；DUT将模拟信号转化为数字电平后通过设定的串口发送到MCU，MCU将采集到的数字电平存储在内部的存储器中，再发送触发信号给ATE，继续发下一个点，循环发送完整的波形；通过算法计算采集数据的DNL值和INL值，其中，DNL为差分非线性，INL为积分非线性；ATE测试其他测试数据和计算DNL和INL值并行处理；本发明通过并行测试和数据处理，用低的测试成本和投入，达到高精度的测试机测试高精度的ADC性能的测试效果。
上述专利只针对ADC的测试效率进行了改进，针对测试的准确性并未做出改善，无法满足MCU对片上ADC测试精度的要求。特别是在动态参数的测量中，快速傅里叶变换造成的频谱泄露会对测试结果造成巨大的影响。现有的方法无法满足现阶段对MCU片上ADC高精度的测试，基于现状，急需对ADC的测试方法进行改进。
本发明利用加速科技ST2500测试机为ADC提供高精度电压源，通过码密度直方图对ADC的静态参数进行了定量的测试。在测量动态参数时，对ADC转换后的数据进行拟合，根据拟合得到的实际频率对原有数据进行截断，满足相干采样的要求，最后加上窗口函数最大限度减小了频谱泄露造成的影响，测试结果更加精确。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法。本发明的技术方案如下：
一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法，其包括以下步骤：
A、配置MCU：通过JTAG接口将程序烧录进MCU，使MCU的片上ADC处于工作状态，能够接收外部的模拟信号，并将ADC转换的结果存入MCU的Flash中；
B、配置测试机：通过对ST2500测试机进行配置，使测试机能够根据需要发出特定频率和幅度的正弦信号；
C、连接测试机与MCU：将MCU片上ADC的输入引脚与测试机发出正弦信号的引脚进行连接，使测试机发出的模拟信号可以传输至MCU片上ADC中；
D、运行测试机程序：使测试机能够发出特定频率和幅度的正弦信号；
E、运行MCU程序：使MCU的片上ADC接收测试机发送的正弦信号，并对正弦信号进行模数转换；
F、计算机读取数据：计算机通过USB接口将MCU片上ADC转换的结果读取出来；
G、数据处理：计算机将读取出来的数据通过Matlab编程完成MCU片上ADC的动态参数和静态参数测试，并将测试结果与芯片手册上的要求进行对比，判断MCU片上ADC是否合格。
进一步的，通过测试机提供高精度，高信噪比的信号源，对ADC输出的结果进行更加完善的数据处理，对静态参数和动态参数测试方法进行改进，得到更加可靠的测试结果。
进一步的，通过Matlab中的cftool工具箱对ADC转换的数据进行四参数拟合，其中拟合方程为：
得到实际的信号幅度与频率。再根据实际的频率对数据进行截取，得到采样总时间为测试机发出的正弦信号周期的整数倍的数据，满足相干采样的要求，降低在快速傅里叶变换中所导致的频谱泄露。由于拟合存在一定的误差，所以对截断后的信号加上窗口函数，进一步减小快速傅里叶变换产生的频谱泄露。
进一步的，对处理完成的数据进行快速傅里叶变换，快速傅里叶变换是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，用来加速多项式乘法。其中快速傅里叶变换的原理为：
模拟信号x(t)连续傅里叶变换为：
x(t)的T个抽样周期后变为x(nT)。设x(n)为N点有限长序列。其DFT为:
由上式可见，接下来运算十分复杂。由于复数运算可以通过实数运算来完成，且x(n)，都是复数，因此，上式可以写成：
又因为具有对称性和周期性，因此可得：
根据快速傅里叶变换确定基波和谐波的位置及功率，并求出噪声的功率，计算出信噪比、总谐波失真比、有效位数等一系列动态参数。
进一步的，将正弦波送到被测片上ADC中，对输入信号进行随机采样，然后计算机通过软件进行运算和处理，绘出直方图，从而定量地计算出失调误差、非线性、失码和增益误差等静态参数；
进一步的，对截取后的数据加入窗口函数，要根据频谱的结构特征选择出最合适的窗口函数，其中矩形窗(UNIFORM)的窗特性是主瓣宽，旁瓣衰减速度低，频率分辨率较低；汉宁窗(HANNING)的窗特性是主瓣峰值较大，频率分辨率高,可减小泄漏，旁瓣衰减速度快；海明窗的窗特性是频谱分辨率高，主瓣窄；平顶窗(FLAT TOP)的窗特性是主瓣峰值较大，主瓣较宽，频率分辨率低，频谱泄漏大。通过选择合适的窗口函数最大限度减小频谱泄露，得出更加精确的测试结果。
一种电子设备，其包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其所述处理器执行所述程序时实现如所述基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法。
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其所述计算机程序被处理器执行时实现如任一项所述基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法。
一种计算机程序产品，包括计算机程序，其所述计算机程序被处理器执行时实现如任一项所述基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明公开了一种基于ST2500测试机对MCU片上ADC的高精度测试方法，该方法的优势在于：(1)通过ST2500测试机提供模拟信号源，能够准确调控发送信号的频率，信号精度高，提高了测试结果的准确性；(2)在权利要求3中，对转换后的数据进行四参数拟合，得到实际的信号幅度与频率，根据实际的频率对数据进行截取，以满足相干采样的要求，并对截断后的信号加上窗口，降低了在快速傅里叶变换中所导致的频谱泄露；(3)测试方法分别对片上ADC的静态及动态参数进行了测试，测试完整性强；(4)使用该方法烧录不同的测试程序，可实现MCU内部更多功能的高可靠性测试，该方法具有一定的通用性及实用性。
本发明巧妙地利用测试机为MCU的片上ADC提供模拟电源，满足了ADC测试对高精度电源的需求，同时使用测试机提供电源满足了量产测试的需求。传统的ADC动态参数测试中，一般直接加入窗口函数对数据进行处理。本发明巧妙地利用拟合函数得到实际的信号源频率，进而对ADC转换的数据进行截断，满足了相干采样的要求，最后加上窗口函数最大限度地减少了在快速傅里叶变换中的频谱泄露，使得最后的测试结果更加精确。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例一种基于ST2500测试机对MCU片上ADC的高精度测试方法的整体结构图；
图2是本发明所述的计算动态参数的算法流程图；
图3是本发明所述的计算静态参数的算法流程图；
图4是未对ADC转换的数据进行处理的信号频谱图；
图5是对ADC转换的数据进行处理后的信号频谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种基于ST2500测试机对MCU片上ADC的高精度测试方法，附图1给出了方法的整体结构图。包括以下步骤：
A、配置MCU：通过JTAG接口将程序烧录进MCU，使MCU的片上ADC处于工作状态，能够接收外部的模拟信号，并将ADC转换的结果存入MCU的Flash中；
B、配置测试机：通过对ST2500测试机进行配置，使测试机能够根据需要发出特定频率和幅度的正弦信号；
C、连接测试机与MCU：将MCU片上ADC的输入引脚与测试机发出正弦信号的引脚进行连接，使测试机发出的模拟信号可以传输至MCU片上ADC中；
D、运行测试机程序：使测试机能够发出特定频率和幅度的正弦信号；
E、运行MCU程序：使MCU的片上ADC接收测试机发送的正弦信号，并对正弦信号进行模数转换；
F、计算机读取数据：计算机通过USB接口将MCU片上ADC转换的结果读取出来；
G、数据处理：计算机将读取出来的数据通过Matlab编程完成MCU片上ADC的动态参数和静态参数测试，并将测试结果与芯片手册上的要求进行对比，判断MCU片上ADC是否合格。
进一步的，通过测试机提供高精度，高信噪比的信号源，对ADC输出的结果进行更加完善的数据处理，对静态参数和动态参数测试方法进行改进，得到更加可靠的测试结果。
进一步的，通过Matlab中的cftool工具箱对ADC转换的数据进行四参数拟合，其中拟合方程为
得到实际的信号幅度与频率。再根据实际的频率对数据进行截取，得到采样总时间为测试机发出的正弦信号周期的整数倍的数据，满足相干采样的要求，降低在快速傅里叶变换中所导致的频谱泄露。由于拟合存在一定的误差，所以对截断后的信号加上窗口函数，进一步减小快速傅里叶变换产生的频谱泄露。
进一步的，对处理完成的数据进行快速傅里叶变换，快速傅里叶变换是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，用来加速多项式乘法。其中快速傅里叶变换的原理为：
模拟信号x(t)连续傅里叶变换为：
x(t)的T个抽样周期后变为x(nT)。设x(n)为N点有限长序列。其DFT为:
由上式可见，接下来运算十分复杂。由于复数运算可以通过实数运算来完成，且x(n)，都是复数，因此，上式可以写成：
又因为具有对称性和周期性，因此可得：
根据快速傅里叶变换确定基波和谐波的位置及功率，并求出噪声的功率，计算出信噪比、总谐波失真比、有效位数等一系列动态参数。
进一步的，将正弦波送到被测片上ADC中，对输入信号进行随机采样，然后计算机通过软件进行运算和处理，绘出直方图，从而定量地计算出失调误差、非线性、失码和增益误差等静态参数；
进一步的，对截取后的数据加入窗口函数，要根据频谱的结构特征选择出最合适的窗口函数，其中矩形窗(UNIFORM)的窗特性是主瓣宽，旁瓣衰减速度低，频率分辨率较低；汉宁窗(HANNING)的窗特性是主瓣峰值较大，频率分辨率高,可减小泄漏，旁瓣衰减速度快；海明窗的窗特性是频谱分辨率高，主瓣窄；平顶窗(FLAT TOP)的窗特性是主瓣峰值较大，主瓣较宽，频率分辨率低，频谱泄漏大。通过选择合适的窗口函数最大限度减小频谱泄露，得出更加精确的测试结果。
在数据处理中，首先，对数据进行四参数拟合，得到实际的信号幅度与频率，其次，根据实际的频率对数据进行截取，以满足相干采样的要求，并对截断后的信号加上窗口，降低了在快速傅里叶变换中所导致的频谱泄露。
实施例
以恩智浦S32K144MCU8位片上ADC为例展示测试结果。测试机输出的信号的频率为100Hz，采样频率设置为10000HZ，采样周期为10个周期，满足奈奎斯特采样要求。对ADC转换完成后的数据进行四参数拟合得到信号实际频率为115.1Hz，根据实际频率截取前869个数据作为10个采样的整数周期，满足相干采样的条件。对截取后的数据加HANNING窗口函数，完成数据的预处理。附图5给出了数据处理前后的频谱图。最后根据处理好的数据计算MCU片上ADC的动态参数。计算得出信噪比为43.0983dB，信噪失真比为42.6407dB，总谐波失真为-48.7133dB，无杂散动态范围为52.3234dB，有效比特位数为6.7908。根据码密度直方图计算得出静态参数，零点误差为0.1140V，差分非线性为0.0523LSB，积分非线性为-0.11LSB。静态参数和动态参数的测量结果均符合芯片手册上的参数要求。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、配置MCU：通过JTAG接口将配置MCU片上ADC的程序烧录进MCU，使MCU的片上ADC处于工作状态，能够接收外部的模拟信号，并将片上ADC转换的结果存入MCU的Flash中；
B、配置测试机：通过对ST2500测试机进行配置，使测试机能够根据需要发出特定频率和幅度的正弦信号；
C、连接测试机与MCU：将MCU片上ADC的输入引脚与测试机发出正弦信号的引脚进行连接，使测试机发出的模拟信号可以传输至MCU片上ADC中；
D、运行测试机程序：使测试机能够发出特定频率和幅度的正弦信号；
E、运行MCU程序：使MCU的片上ADC接收测试机发送的正弦信号，并对正弦信号进行模数转换；
F、计算机读取数据：计算机通过USB接口将MCU片上ADC转换的结果读取出来；
G、数据处理：计算机将读取出来的数据通过Matlab编程完成MCU片上ADC的动态参数和静态参数测试，并将测试结果与芯片手册上的要求进行对比，判断MCU片上ADC是否合格。
2.根据权利要求1所述的一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法，其特征在于，还包括利用通过Matlab中的cftool工具箱对ADC转换的数据进行四参数拟合，其中拟合方程为：
其中a为拟合方程的幅度，ω为拟合方程的角频率，为拟合方程的初相位，b为直流分量。
通过拟合方程得到实际的信号幅度与频率；再根据实际的频对数据进行截取，得到采样总时间为测试机发出的正弦信号周期的整数倍的数据，对截断后的信号加上窗口函数。
3.根据权利要求2所述的一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法，其特征在于，还包括对处理完成的数据进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换确定基波和谐波的位置及功率，并求出噪声的功率，计算出信噪比、信噪失真比、总谐波失真比、有效比特位数、无杂散动态范围在内的一系列动态参数，具体为：
A、信噪比SNR定义：在给定的输入和采样频率下，满量程正弦模拟输入信号的基频幅度的均方根RMS与除直流和谐波以外的所有频谱分量的均方根RMS之和的比值。数学表达式为：
其中SSP为输入信号基波分量的均方根值(RMS)，NP为包括量化噪声、热噪声等所有噪声源的均方根之和；
B、信噪失真比SINAD定义：在给定的输入和采样频率下，满量程正弦模拟输入信号的基频幅度的均方根RMS与除直流以外的所有频谱分量的均方根(RMS)之和的比值，数学表达式为：
其中SSP为输入信号基波分量的均方根值(RMS)，NP为包括量化噪声、热噪声等所有噪声源的均方根之和,HP为除直流外各次谐波的频率分量的均方根之和。
C、有效比特位数ENOB
定义：在给定的输入和采样频率下，转换电路的实际转换位数ENOB即有效转换位数，数学表达式为：
或/>
其中SNR为信噪比，SINAD为信噪失真比；
D、总谐波失真THD定义：谐波失真THD是采样信号在频域中的所有谐波分量的均方根之和与输入信号基波分量的均方根的比值，数学表达式为：
其中SSP为输入信号基波分量的均方根值，HP为采样所得信号频域中2次到N次谐波分量的均方根之和；
E、无杂散动态范围SFDR定义：在给定的频率范围内，最大信号分量均方根RMS与除直流以外最大失真分量均方根RMS之比。数学表达式为：
其中，SSP为输入信号基波分量的均方根值，HPmax为采样波形频谱中最大失真谐波分量或最大杂散信号的均方根值。
4.根据权利要求2所述的一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法，其特征在于，还包括静态参数测试，将正弦波送到被测片上ADC中，对输入信号进行随机采样，然后计算机通过软件进行运算和处理，绘出直方图，从而定量地计算出零点误差、非线性和增益误差一系列静态参数，具体为：
A、微分非线性(Differential Non-linearity，DNL)
定义：微分非线性为转换电路实际转换特性中码宽与理想码宽(1个LSB)的相对偏差。数学表达式为：
其中V实际码宽为实际码元宽度对应的模拟输入电压，V理想码宽为理想码元宽度对应的模拟输入电压；
B、积分非线性定义：积分非线性为实际转换曲线相对于理想转换曲线的偏差。数学表达式为:
其中k为ADC的位数，DNL[i]为第i个码元对应的微分非线性；
C、零点误差
定义：零点误差又称失调误差，当输入电压为零时所产生的误差为零点误差Eo，即在实际转换直线中，ADC器件持续保持为零输出的最大输入电压V′0对应于理想零点输入电压V0的误差，数学表达式为：
其中V′0为ADC器件持续保持为零输出的最大输入电压，V0为理想零点输入电压；
D、增益误差(Gain Error)
定义：增益误差又称满刻度误差，增益误差为模数转换电路输出最大输出码时的实际输入信号电压V'与理想电压V之差，也可以理解为实际转换曲线与理想转换曲线之间的倾斜偏差，数学表达式为：
其中V′L为模数转换电路输出最大输出码时的实际输入信号电压，VL为模数转换电路输出最大输出码时的理想输入信号电压。
5.根据权利要求1所述的一种基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法，其特征在于，还包括对截取后的数据加入窗口函数：根据频谱的结构特征选择出最合适的窗口函数，窗口函数包括矩形窗、汉宁窗、海明窗、平顶窗。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法。
8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述基于ST2500测试机的MCU片上ADC测试方法。
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