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工程硕士论文一：基于FPGA的混合信号芯片测试系统设计

第 1 章 绪论 1.1 研究背景 在过往的几十年中，由于现代通讯系统的爆炸性发展，越来越多地采用混合信号的设计，将数字和模拟元件集成在单个芯片上，以提高性能并降低电路板尺寸和成本。这对集成电路芯片的测试工作提出了十分严峻的挑战，随着集成电路工作频率的不断提高，在混合信号器件的生产中，测试作为一个重要的限制因素，对制造成本有很大影响，同时为了保证芯片在应用上的可靠性，这些芯片的测试与测量又是必不可免的[1-2]。 现代电子系统以数字方式处理和存储信息。但是，由于世界的模拟性质，从模拟到数字和从数字到模拟的转换是总是不可避免地由数据转换器执行：模数转换转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。在数模混合信号芯片中，虽然模拟部分和数字部分放在同一基底上，使得整个系统的性能和成本可以达到最优，但是却给数模混合信号芯片的测试带来了巨大的困难。同时，数字系统的 EDA 软件远远先进于模拟系统和数模混合系统，混合信号系统的测试和建模十分困难[3]。根据各种因素，包括技术规格，系统分区，和市场需求，数据转换器可以集成在同一芯片上，或在同一封装上，与其他模拟或数字块一起，或者它们可以独立。大多数独立的数据转换器是 13-16 亿美元标准的一部分模拟市场，还包括放大器，比较器，以及接口和电源管理设备。事实上，数据转换器构成了这个市场的 16％，但它们是生长速度比其他组件快，仅次于电源管理设备，单位出货量从 2021 年的约 29 亿台估计到 2021 年的销量约为 47 亿台。这还不算嵌入式数据转换器与数字信号处理器（DSP）的各种应用，范围从消费电子（例如音频设备，手机，成像设备，DVD 和多媒体播放器等）,嵌入式控制器，过程控制和仪表。 DAC 和 ADC 作为典型的数模混合信号芯片，其内部分为数字模块和模拟模块，作为数字和模拟相互转换的关键一环，其重要性不言而喻。如上所述，基于数字信号处理（DSP）的系统需要 ADC 和 DAC，以便其能够交换信息或控制过程物理模拟世界。现如今移动通信系统已经进入 4G 时代，相对于 3G 时代，系统前端的射频频率更高，网络频谱更宽，对于 ADC、DAC 的性能要求也越来越高。由此数据转换器必然朝着高速度高精度的方向不断发展。相应的高速高精度测试系统也越来越重要，只有在测试的过程中不断地发现问题才能提高设计的稳定性和验证设计的正确性。 随着数模混合信号芯片的速度和精度的提高，对于测试系统的数字信号传输有了更高的要求。由于高速信号的周期较短易受干扰（如电磁辐射和串扰），对于 PCB 设计者来说无疑增加了一定挑战。同时测试系统还需要具备传输、分析和存储这些大吞吐量的高速数据流的能力。因此对于高速高精度数据转换器的测试系统设计具有相当的难度。........1.2 国内外研究现状 对于集成电路芯片而言，高速模数转换器和数模转换器的设计和应用最为复杂，这些芯通常需要应用在军事和通讯领域上，对其性能和高低温的稳定性有着十分高的要求，同时还要不断地提高芯片的工作频率，并且保证芯片的性能不断提升。因而对于这些高速高精度数据转换器的通用测试平台设计是十分重要和必需的。而在这一方面国外的设计经验是十分成熟稳重的，常用的方法是通过逻辑分析仪分析传输过程中的高速信号，比较成熟稳重的有安捷伦，泰克和力科等仪器仪表公司。在测试过程中用逻辑分析仪的探头抓取数字信号，分析其时域和频域的性能，然后通过网口或硬件存储设备转移到 PC 机上进行进一步分析。目前国外的很多公司（主要有 德州仪器半导体、亚德诺半导体 和 Maxim 等）和高校都有对高性能数据转换器的测试进行研究，其主要研究方向为可测性设计(DFT)与内置自检(BIST)技术，同时芯片测试还包括静态测试和动态测试。 数据转换器作为一块重要的市场，国外的发展一直是领先于国内的，而美国的 ADI和 TI 公司几乎占据了大部分全球市场份额，尤其是在高速高精度数据转换器方面，ADI几乎占据了 80%的市场，与此相对应的每款产品,ADI 都会提供相应的 DEMO 板、测试方案和 PC 机上的软件测试界面。以 ADI 的模数转换芯片 AD9694 为例，该芯片为四通道 14 位高速模数转换器，最高可以工作在 500MSPS 的条件下，该芯片采样 305 MHz，1.80 V p-p 输入范围信号的 SFDR 可达到 82 d BFS,SNR 达到 66.8 d BFS，并支持子类 1 ESD204B 高速串行数字输出，为通信系统，雷达航天领域提供了高达 1.4 GHz 的宽带模拟信号采样。如图 1.1 所示，为 AD9694 评估板，图 1.2 为 AD9694 的完整测试系统，图中左侧为测试板，右侧连接的为测试基板，总共 6 个信号源，一个提供采样时钟、一个参考时钟、其他四个提供了 4 个通道的输入信号。该测试系统采用 USB 接口与 PC 机之间相互通信，PC 机通过上位机软件配置芯片寄存器，FPGA 通过 USB 向 PC 机传输AD 采样数据。同时 ADI 提供 Visual Analog 软件包用来与器件的硬件部分实现接口，允许用户下载捕获的数据并通过用户友好型图形界面进行分析。ACE 软件包也兼容硬件部分，允许用户使用 AD9694 的 SPI 可编程功能。........第 2 章 数据转换器基础知识 2.1 ADC 结构与基本参数 在电子学中，模数转换器（ADC，A/D，A-D 或 A-to-D）是将模拟信号转换为离散时间信号的系统，例如麦克风拾取的声音或进入数码相机，成为离散时间信号。ADC还可以提供隔离测量，例如将输入模拟电压或电流转换成与电压或电流的幅度成比例的数字的电子装置。长期以来，ADC 已广泛用于数字测试设备。最近，ADC 的应用已经广泛扩展到许多以前完全是模拟的电子系统并实现使用数字电子。这种应用的实例包括数字电话传输，无绳电话，交通和医疗成像。此外，ADC 已经应用于全数字化的系统，而这些数字系统也因此提升到更高的性能水平。常见的 ADC 有 Flash ADC、二依次逼近 ADC、pipeline 型 ADC、 ???ADC 、积分型 ADC。ADC 需要一个实线范围并将其分成更小的子范围。每个子范围的大小经常称为步长。这些步长通常大小一致，但不总是一致。用于压缩编解码器的 ADC 是具有非均匀步长的 ADC 的一个示例。在这种情况下的步骤大小遵循对数标度，对每个子范围或步骤分配代码。然后，在转换过程中输入样本并被映射到该实数线上。ADC 然后决定哪个子范围对应到样本，并将适当的数字代码发送到输出。通常，模数转换器的数字输出是与输入端信号模拟量大小成比例的二进制补码，但是还有其他的格式。........2.2 奈奎斯特准则奈奎斯特准则：对连续时间模拟信号以等时间间隔 ts=1/fs 的大小采样，该采样时间大小必须精心选择，确定采样得到的数据能够准确描述输入的连续时间信号。很显然，采样时间间隔越小，模拟信号的量化值对模拟信号的表示就越准确。如果采样时间间隔越大(采样频率越小)，则小到一定程度时，连续时间信号的重要信息将由于得不到采样而遗失。在贝尔电话实验室工作时期，Harry Nyquist 分别在 1928 和 1924 年分别发表了两篇經典的学术论文，奠定了采样定律的理论基础。在这随后不久，R. V. L. Hartley 在Nyquist 的原始工作基础上进行了扩充。这些理论形成了上世纪四十年代 PCM 工作的基础，之后在 1948 年 Claude Shannon 发表了其关于通信理论方面的經典学术论文[13]。 简而言之，奈奎斯特采样标准要求采样频率必须大于带限信号中包含的最高频率M的两倍，才能保证与信号相关的信息不会遗失。如果采样频率小于带限信号中包含的最高频率M的两倍，将会导致混叠的现象的发生。 奈奎斯特采样带宽被定义为从 0~fs/2 的频谱。整个频谱被分为无限个奈奎斯特区，每个区具有等于 0.5fs 的采样宽度。如上图所示，在实际工程中，理想的采样器用模数转换器 ADC 来替换，然后是快速傅里叶分析器。FFT 分析器仅提供 dc~fs/2 的频率输出，也就是在第一奈奎斯特区域中的采样信号以及混叠信号。 对于基带采样信号，当理想采样器的输入端没有经过滤波时，对于 Nyquist 带宽外的任意频率(包括噪音和杂散信号)都将会混叠到第一奈奎斯特区域中，所以在信号的输入前端需要添加一个抗混叠滤波器来消除这些不需要的信号。.........第 3 章 测试系统硬件平台分析 3.1 测试系统概述...........12 3.2 测试系统基板结构..........13 3.3 测试子板.......17 3.4 小结 .....19第 4 章 测试系统高速传输模块设计 4.1 高速传输模块总体架构.....20 4.2 ADC 接收模块 ...........20 4.3 异步 FIFO 读写控制..........24 4.4 GTH 收发器时钟和复位.....26 4.5 数据发送和接收模块..........30 4.6 小结..........32第 5 章 基于 MICROBLAZE 的系统设计 5.1 基于 Microblaze 处理器的系统总体架构.......33 5.2 Microblaze 处理器........34 5.3 SPI 控制器设计......35 5.4 AXI 总线.......39 5.5 Microblaze 外围模块设计.......39 5.6 系统驱动设计...........46第 6 章 ADC 测试平台验证 6.1 ADC 测试概述 上一章已经完成了 FPGA 上的模块设计，包括逻辑设计和系统驱动模块设计，下面将验证整个测试系统进行软件自动化测试的流程。整个测试过程需要两台信号源，一台直流稳压源，测试基板，测试子板，带通滤波器以及连接线。两台信号源分别输出 125MHz 时钟信号和 ADC 芯片输入信号。对于输入信号，由于信号源本身输出信号避免不了混入噪声和一定的直流分量，这些对测试结果都会造成很大的影响，因此必须在信号输入前端使用对应频率的带通滤波器，将那些噪声等滤掉。测试基板电压输入为 6.75V，限流为 2A，测试基板加测试子板功率大概输出 10W。如图 6.1 为测试整体框架，待信号源，稳压源，测试平台连接好以后，打开电脑上的串口程序和测试平台上位机软件，然后设置网络 IP 地址，烧写 FPGA 程序开始测试。上位机软件采用 NI 的 Labwindows cvi 开发平台，界面美观并且采用 C 语言编程，不用像 Labview 那样使用图形化编辑语言 G 编写程序。 对于网口程序 xapp026 中提供了 txperf.c 例程，其包含了一个 Txperf 服务器一直发送自己产生的递增码数据，直接调用 start_txperf_application()即可创建 tcp 连续发送端口，端口号为 7。PC 机端可以通过 iperf 客户端测试系统基板发送数据的吞吐量，通过输入iperf –c 连接到测试基板设置好的服务器端口，接收并计算其发送的数据吞吐量。此测试程序与 echo 服务器端口不同，对于测试基板来说其发送的数据为连续发送，不需要上位机发送命令，只是用来测试该网口的传输速度。

...........总结本文主要完成了 ADC 混合信号芯片的测试系统设计，主要工作都在 FPGA 上完成，分为高速传输模块和基于 Microblaze 处理器的控制模块，两个模块分别使用光口和网口与上位机通信。为了保证测试平台的通用性，本次测试基板采用了 FMC 标准接口模块，测试子板需要基于这一标准设计夹层卡，对于不同的测试子板只需略微修改 FPGA 程序即可。1、分析了测试系统的整体设计目标，以及整个测试系统的主要模块。介绍了测试基板上的硬件模块和通用接口，包括主芯片和各种外围器件的性能。然后介绍了本次设计需要测试的一款 ADC 芯片，并分析了其测试子板的硬件模块和其测试过程。2、FPGA 高速模块设计。本次设计使用 virtex-7 系列 FPGA，包含了大量的逻辑资源和 serdes 模块，十分适宜高速数据传输。通过调用 FPGA 内部的 select IO 资源(IBUFDS、IDDR、BUFG 等)完成数据接收，然后调用 GTH 收发器并设计了时钟和复位逻辑，并完成 GTH 数据发送和接收逻辑。3、基于 Microblaze 处理器的控制模块。在 vivado 软件中设计测试系统的逻辑模块化设计，调用 xilinx 提供的通用 IP 核模块，并将 ADC 数据转成基于 AXI4-Stream 标准的总线信号连接到系统中。在生成并导出 bit 文件后，在 SD 软件中完成了系统驱动层设计，主要分为：LWIP 协议 tcp 传输模块，SPI 控制器模块，DMA 控制模块，中断启动和监听模块，GPIO 控制模块。最后，在上位机软件的配合下测试了一块高速 ADC 芯片，验证了该测试平台的功能是 否正确 。.........参考文献（略）

工程硕士论文二：重型汽车双金属制动鼓的旋压成型与离心浇铸;复合成型技术研究第一章 绪 论1.1 引言伴随社会经济的快速发展，汽车在国民经济生活中起着越来越重要的作用，成为人们日常生活中最重要的交通工具，与此同时交通事故也与日俱增，制动系统失效引发的车祸更为触目惊心[1]。制动器是车辆制动系统的核心部件和保安件，按照类型分为鼓式和盘式两种，其中制动鼓作为鼓式制动器的摩擦偶件对行车安全更是至关重要。制动鼓的可靠性质量直接影响行车安全，并给道路活动参与人员带来隐患，特别是近几年在高速行驶车辆上发生的开裂、脱落引发的人身伤害事故屡见报端。根据统计，国内的重型汽车制动器维修中，蹄铁磨损及制动鼓开裂占较大比例，特别是制动鼓寿命较短、更换频繁且关联费用较高，直接影响车辆运行收益，带来很大的用户抱怨。 现代社会提倡节能环保的，车辆的燃油经济性指标大受人们追捧，高速度、高载荷、轻量化、高效率;成为商用车发展的主流。与此同时行车环境却变得越来越复杂，高速超车、行人穿越等导致的制动，特别是紧急制动变得越来越频繁，人们对车辆制动效率和舒适性的要求也日益提高。然而在在以鼓式制动器为主流配置的商用车尤其是重型汽车市场上，制动鼓逐渐暴露出诸多问题，主要表现为： ①部分制动鼓材质产品易变形，硬度偏低导致异常磨损引发早期失效。 ②制动鼓材质硬度过高，发生制动打滑及异晌。 ③制动鼓骤冷产生龟裂进而导致脆断。..........1.2 制动器的原理与制动鼓受力分析在汽车等各种运行车辆的重要组成中，制动系统是不可或缺的部分,其直接关系行车平稳与安全。目前最为常见的车辆制动器按照制动类型可分为盘式制动;与鼓式制动;两种。但无论采用哪种制动方式,发挥制动作用的均为制动盘/毂与摩擦材料(制动片)所组成的摩擦副。鼓式制动器是国内最常见的汽车制动器形式，尤其是在重型汽车领域仍占据主导地位。鼓式制动器在整车位置及总成图分别如图 1-1、图 1-2 所示，其作用是通过制动鼓与摩擦片的摩擦产生制动力以使车辆停止。最常见的鼓式制动器一般由镶嵌或铆接摩擦片的蹄铁、制动底板、制动鼓、防尘罩、回位弹簧、间隙调整臂及连接螺栓等组成。其中制动鼓是旋转元件，内圆柱面为其工作面，制动底板和制动蹄铁等固定部分分别设计有固定支承销及和张开回位结构，在液压缸和凸轮作用下可使制动蹄张开以与制动鼓接触产生制动力；制动结束后再利用上端固定的回位弹簧使制动蹄回位，解除与制动鼓的接触，恢复正常行驶；调整臂用来调整制动蹄铁与制动鼓的间隙，以保证可靠的制动效果。..........第二章 复合成型双金属制动鼓的整体设计方案2.1 灰铸铁/碳钢复合铸造概述 在现代工业中，多数铸造零部件作为箱体及支撑体等受力件来使用，服役环境和工作条件十分恶劣，同时部分产品如变速箱、发动机缸体等形状复杂，完全更换的成本很高。通过优化产品设计并采用新型工艺来增强耐用性就成为企业发展生产、降低成本的主要手段。复合成型方法在此方面具有先天优势，特别是灰铸铁及碳钢同属于铁碳合金，具有相近的元素构成、优异的物理性能及广泛的应用领域，因此也吸引了国内外研究人员针对铸铁/钢复合铸造的理论与应用进行了大量的研究。 不同材料之间彼此结合、能起载荷传递作用的微小区域称为界面，从微观形貌来看其不是一个单纯的几何面，而是不同材料之间的过渡区域并具有多层结构。在外部载荷作用下，材料发生外力传递，界面传递效应可以有效地将外力传递给增强体以降低产品的应力集中。适当的界面设计还可以有效防止基体组织的晶格畸变、滑移，降低缺陷处的裂纹扩散，避免终端材料的破坏。在铸铁与碳钢发生液固结合条件下，碳元素等会由于碳浓度和温度梯度的存在而发生原子的互扩散，并在降温凝固过程中因碳含量的差异分别发生共晶、亚共晶和亚共析、共析、过共析等不同反应从而形成反应结合。界面结合的过程机理一般分为两类。 一是铸液与芯材接触处铸液瞬时凝固，然后凝固层再熔化的铸液与未凝固铸液混合，这个过程芯材表层熔化后与铸液共混，导致熔合线附近的碳及合金元素含量降低，外层铸液自外向内凝固，称为融合结合。..........2.2 灰铸铁/碳钢复合铸造应用前景由于双金属复合铸造具有改善产品综合性能，提高铸件寿命及合理利用材料来降低成本的优点，成为推动铸铁/碳钢复合铸造发展的主要动力。国内肖晓峰??9?等人为改进湿式球磨机的服役环境下易磨损的衬板部件寿命，应用了高铬铸铁/碳钢双液双金属铸造工艺，耐磨系数达到普通合金衬板的 3 倍。胡祖尧等人也采用采用高铬铸铁和碳钢的复合铸造工艺制作了新型颚式破碎机颚板，将其相对耐磨系数提高至传统高锰钢颚板的 4-6 倍，使用寿命增加了 2-4 倍。在传统的汽车零部件领域，通过采用灰铸铁/碳钢复合材料的制动鼓，即刹车鼓内侧发挥摩擦的是灰铸铁基体，而制动鼓外侧采用优质低碳钢包覆，能够同时满足高韧性抗变形及易散热、高耐磨的产品使用要求，有效提高制动鼓的使用寿命，降低了使用成本。 复合材料具有两种或以上的不同性质通过物理（和）或化学方法组合而成，具有优良的使用性能，能够克服单一材料的性能局限，满足现代工业产品同时具备高强度、高塑性以及高硬度、高韧性的综合性能要求。当前单一材料或合金已经很难满足现代化生产对材料综合性能的需求??2?，双金属复合铸造因其理论成熟稳重、工艺简洁、成本较低等优点，迅速成为现代工程材料成型方法的必然选择。双金属复合材料的制备有激光熔覆、粉末冶金、气相沉积、表面堆焊、模压（冲压）成型、复合铸造等多种物理化学方法。在普通灰铸铁产品的性能提升中由于其及碳钢同属铁碳合金，有着相近的元素构成、物理性能，因此就性价比而言，复合铸造方法在制备灰铸铁/碳钢复合材料方面具有明显的优势????，也是制备灰铸铁/碳钢复合材料的主要途径，具有广泛的应用前景。 ..........第三章 复合成型双金属制动鼓的外壳旋压成型 ......... 173.1 旋压技术介绍 ...... 173.2 旋压工艺分类 ...... 183.3 复合双金属制动鼓外壳的旋压方案 ...... 183.4 本章小结 ........ 24第四章 复合成型双金属制动鼓的离心浇铸成型 ......... 254.1 离心浇铸系统 ....... 254.2 复合制动鼓的试验方案 ..... 274.3 实验结果 ....... 304.4 本章小结 ........ 35第五章 复合成型制动鼓的有限元分析及应用检验 ..... 365.1 铸造 CAE 计算方法 ........ 365.2 铸造 CAE 现状 .......... 365.3 复合双金属制动鼓的有限元分析 .......... 375.4 双金属制动鼓的动平衡控制及改进 ...... 445.5 台架试验及市场验证情况 ........ 46第五章 复合成型制动鼓的有限元分析及应用检验灰铸铁/碳钢复合铸造是一个复杂的过程，其共融界面的形成包含温度及碳浓度梯度以及对应的热传导及元素扩散过程。制动鼓低碳钢外壳及其周围铸液的温度变化需要借助铸造 CAE 软件来获得详细的温度曲线，同时也可以建立有限元分析模型来开展复合成型制动鼓的应力应变分析，从而找到改进的方向，更加高效地解决问题。5.1 铸造 CAE 计算方法CAE 系统需要离散化的结构，这也是铸造 CAE 系统的核心。有限元法(FEM)和有限差分法(FDM 是目前比较成熟稳重的建立离散化结构的方法。铸件通过结构的离散化可建立划分为有限数目的规则单元组合体的模型，然后对所划分单元进行计算分析，按照特定的算法，得到近似的结果，从而实现离线模拟和仿真。 有限元法(FEM)是一种连续体问题的求解方法，其通过把研究对象设置为连续体，并将连续体离散化分为若干个有限大小的单元体来实现连续体的问题求解?43?。该方法特别适宜负责的产品零件尤其是薄壁件，有限元法不仅求解精度高，而且能够精确描述模型的几何形状并可以随意疏密不同地网格剖分模型的任意部位。在对研究对象设置好模拟边界条件、材料物理性能等通过逆向计算模块进行反算。因此，在我们经常研究中所遇到的数据欠缺问题也能够得到高效解决。

........总结本文通过实验研究和数值模拟研究相结合的方法，研究了激光高速冲击焊接异种金属箔板结合界面微观结构及其形成的机理、复板和基板的结合机理，揭示高速冲击焊接过程中复板和基板的动态响应。同时，探究了一种更适用于金属箔板焊接的激光高速冲击焊接方法。本文的主要研究内容和成果如下：利用激光高速冲击焊接技术实现了厚度为30μm的铝箔和100μm的铜箔的固态焊接。对焊接试样的表面形貌、结合界面的微观结构、接头的连接强度和结合界面的纳米硬度进行了观测与分析。研究发现，当激光能量较低时（≤835m ），焊点表面质量良好；而当激光能量过高时（≥1200m ），焊点表面出现熔融和烧蚀现象。激光能量对 Al/Cu 结合界面形貌有显著的影响，其中，微波状的结合界面是一种较为理想的结合界面，且界面波的波长和振幅沿着焊接的方向呈先增大后减小的趋势。当激光能量在 1200m 以下时，结合界面处未形成明显的热影响区，铝箔和铜箔形成良好的固态焊接；当激光能量达到 1550m 时，结合界面处形成局部的熔化层和熔化块，熔化层的厚度约为 2~3μm。EDS 分析显示结合界面处 Al 元素和 Cu 元素之间发生了微弱的相互扩散，扩散层的厚度约为 1.5μm。这是激光高速冲击焊接 Al/Cu 过程中结合界面瞬间高温高压的结果，而不是复板和基板结合的重要原因。结合区域金属材料的纳米硬度较原材有一定程度的升高，在结合界面的法线方向，结合界面处的硬度值最高，随着与结合界面距离的增加硬度值逐渐降低。 .........参考文献（略）