基于FPGA的频率测试系统

张雄刚，李会峰，霍军军

(天水华天科技股份有限公司，甘肃 天水，741000)

测试的主要目的是剔除封装和功能异常品，保证IC 能完全实现设计规格书所规定的功能及性能指标。传统的测试设备价格昂贵、体积庞大、耗电量高、造成IC 的测试成本偏高，为了节约测试成本，设计制作FPGA 测试系统，用于IC 的测试。该系统还集成通信功能，可以控制机械手自动上下料，实现IC 测试的自动化，达到了节约测试成本的目的[1]。

1 测试系统组成

1.1 基于FPGA 的测频模块

整个测频系统分为多个功能模块，如标准信号和被测信号的脉冲计数、计数值锁存、频率值计算、测频模块、通信模块。

测频模块包括（D 触发器、32 位标准计数器、32 位被测计数器）、频率运算模块（乘法器、32 位除法器）等几个单元，（见图1 所示）。在高精度和高速测量的要求下，必须采用较高的标准频率信号，而单片机受本身指令运算和时钟频率的限制，测频速度较慢，无法满足高速、高精度的测频要求。采用高集成度、高速的FPGA 芯片为实现高速、高精度的测频提供了保证[2]。

图1 测频模块设计框图

1.2 测试系统和机械手的通信模块

在实际生产中需要连续不断地自动测试，大批量的生产就要求测试系统有自动测试的功能，这里就是测试系统和机械手之间的通信问题。

常见机械手的通信采用TTL 电平信号，其种类有SOT(测试开始信号)；BIN0-BIN7(测试结果分类信号)；EOT（测试系统测试完成信号），比如长传科技生产的C37S150S 系列的机械手就采用TTL 电平信号通信。

TTL 电平信号有以下优点：首先TTL 器件数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，其次TTL 电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；其典型的TTL 电平信号通信原理如图2 所示。

图2 通信模块设计框图

2 测试手段和取得的结果

2.1 测试原理

标准时钟信号频率为Fs，被测信号频率为Fx，在同一个允许计数周期内，标准时钟信号和被测信号的上升沿计数值分别为Ns和Nx，则被测信号的频率可由Fx=Fs×Nx/Ns求得。

频率计算模块由一个乘法器和一个32 位带有有无符号数端的除法器组成，Fs为刚开始输入的100 MHz 标准信号，先由乘法器将被测计数器的计数值Nx乘以100 MHz，再通过除法器，前面乘法器运算后的结果作为被除数，标准计数器的计数值Ns作为除数进行运算，得出的结果即为待测信号的频率值。选用标准信号为100 MHz，门控信号由D 触发器输入端D 输入，闸门控制信号CL 给出高电平，此时并未开始进行测频计数，而要等到被测信号的上升沿到来时才开始对标准时钟信号和被测信号同时进行测频计数。允许计数信号START 刚好与被测信号上升沿一致，这是保证等精度测频的关键之一。允许计数信号START是由D 触发器输出端Q 给出，是两个（标准、被测）计数器同时对信号上升沿开始计数，计数器的计数值同时通过两路32 位锁存器，将计数结果进行有效的锁存，以便于频率计算模块能够准确的将频率计算出来。经过两路锁存器后被测信号由乘法器乘以100 000 000 后即得到频率计算公式中Nx×Fs项，乘法器输出结果在经过一个32 位除法器，乘法器中得到的Nx×Fs项作为被除数，前面由两路锁存器中得到的标准信号的计数值Ns作为除数，得到的结果Nx×Fs/Ns即为待测信号的频率值[3]。

闸门控制信号CL 出现高电平时，此时等精度测频模块并没有立即开始计数，而是要等到被测信号的上升沿到来时才开始对标准时钟信号和被测信号同时进行测频计数。

2.2 仿真结果

在Quartus II 软件中进行功能仿真，仿真结果如图3 所示。

图3 综合原理图仿真结果

仿真开始时先由清零信号CLR 高电平对计数器进行清零，标准信号输入端BZXH 输入一个周期为10 ns（即频率为100 MHz）的信号，待测信号输入端DCXH 输入一个周期为80 ns（即频率为12.5 MHz）的信号，输入端CL 为门控信号，输出端C 为数码管显示模块前频率计算模块计算出来待测信号的频率值[4]。

3 结束语

本文所介绍的基于FPGA 自动测试系统的设计，系统包括等精度测频模块（D 触发器、32 位标准计数器、32 位被测计数器）、频率运算模块（乘法器、32 位除法器），其中乘法器用Quartus II 软件IP核实现，节省了大量昂贵的测试机资源，使系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、精度高等优点。等精度测频的特点是在整个测量频段内的测量精度是相同的，与被测信号频率的大小无关。通信模块等控制Handler 对良品和不良品分类。综合考虑成本、性能和应用等因素，充分利用FPGA 的逻辑资源，实现了IC 频率的测量。该FPGA 的测试系统，解决了IC 测试成本高的问题。

[1] 杨华. 智能电子测试系统应用研究[A]. 中南大学硕士学位论文[C]. 长沙：中南大学出版社，2004，1-8.

[2] 刘皖，何道君，谭明. FPGA 设计与应用（第一版）[M].北京：清华大学出版社，2006，24-49.

[3] 胡鸿才，贺贵明. 基于C8051F 的电量测量与传输系统[J]. 现代电子技术，2006（9）：83-85.

[4] 谭会生，瞿遂春.EDA 技术综合应用实例与分析[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.