一种R/D轴角集成电路的自动测试系统

一种R/D轴角集成电路的自动测试系统

李康

连云港杰瑞电子有限公司, 江苏省 连云港市 222006

摘要：RD2S系列轴角类集成电路由于关键参数较多、功能复杂，采用手动测试时测试效率较低，且测试质量无法有效保证。本文通过分析该类集成电路测试流程和原理设计了专用测试板和测试界面,与计算机、测试仪器进行通讯实现了自动测试功能。经实验验证，该系统运行稳定，全参数的测试时间大大缩短，且能对失效品进行有效剔除，符合系统设计需求。

关键词：轴角；集成电路；单片机；自动测试

中图分类号：TP271  文献标识码：A

0  引言

RD2S系列轴角类集成电路是一款数字式的10位至16位分辨率解算-数字转换器，集成了片上可编程正弦波振荡器，为旋转变压器提供正弦波参考信号[1]。该集成电路采用Ⅱ阶环路实现无系统误差匀速跟踪输入信号，通过16位并行端口或4线串行接口可以访问10位至16位绝对角位置数据，将正弦和余弦输入信息转换为输入角度和速度对应的数字量,最大跟踪速率为3125rps，正弦和余弦输入端允许输入3.15×(1±27%)VPP、频率为2kHz至20kHz范围内的信号。

RD2S系列集成电路具有尺寸小、功耗低、精度高、通用性强、自带可设置内激磁的特点，在伺服电机控制、编码器、电动助力转向等领域普遍使用，主要应用于各类轴角解算相关领域[2]。但由于其输出参数较多、功能复杂，人工手动测试过程需要不断更换设备或线缆并记录数值，且随着集成电路的使用环境变得更加严酷，为了保证在较大的温度范围内有较高的稳定性，必须对芯片进行常温、低温和高温测试[3]。目前单温下单片的测试和记录时间约12min，三温总时长达到40min，且测试过程常常因接线、参数设置等问题导致测试数据错误造成功能误判。本项目通过搭建软硬件平台并在热流仪配合下实现对RD2S系列集成电路核心功能在三温下的自动化测试[4]，提高单片集成电路的测试效率，并提高测试过程的可靠性。

1  总体设计

1.1 系统原理

自动测试系统配套的测试设备主要包括：计算机、高精度轴角信号源[5]、数字万用表、多路程控电源、测试板、电缆及夹具，所配备的硬件由电缆进行硬性连接，并由软件进行控制、通信和联合，按预定流程匹配测试参数组，调动测试用例，完成人机交互和操作控制，最终实现对集成电路各性能指标的测试、分析和判断[6]。

测试系统的原理如图1所示。程控电源为夹具提供+5V直流供电，满足夹具上集成电路、调理电路的电源输入需求，同时提供+12V对整个测试板进行供电。电压类测试项目采用单片机控制继电器进行切换，所有设备均通过通讯线与计算机连接。由于集成电路内置激磁的特点，轴角信号源可以直接接收集成电路输出激磁RH、RL并进行显示，无需额外设计激磁电路。

图1 测试系统原理图

1.2 系统接线

由于测试系统设备较多且容易引入外部干扰导致测试过程出现参数超差问题，所有接线均进行屏蔽，采用输入和输出线分隔，数字量和模拟量分开的走线方式。

2 硬件设计

2.1  测试板设计

测试板选择TI公司STM32F107系列单片机作为核心控制器，支持+3.3V直流电源供电，提供较为方便的总线和串口读取方式。单片机可以对集成电路I/O口进行配置，实现各项指令的收发控制。

为了具备较好的稳定前端输入信号的能力，同时也为保障元器件布局尽可能的接近被测试的集成电路，尽量受温度影响较小，必须将控制电路、输入信号调理电路紧贴保温罩边界放置。

2.2  外围电路设计

集成电路外围电路设计在夹具上，使用晶振的频率为8.192MHz，通过RES0和RES1引脚可以对分辨率进行编程，SAMPLE为方波信号，低电平脉冲宽度不小于800ns，DB15-DB0数据位15至数据位0，由和控制的三态数据输出引脚。AGND和DGND引脚接地，程控电源输出的+5V直流电源连到AVDD和DVDD，VDRIVE引脚同样连接程控电源。外围电路设计如图2所示。

图2  集成电路外围电路图

2.3  输入信号调理电路设计

轴角信号源输出的正余弦信号通过信号调理电路接入集成电路的输入引脚，R3～R10的阻值范围为(10±0.1%)kΩ，功率0.125W。U3～U6为AD8662或等效运算放大器。

图3 输入信号调理电路

3  软件设计

3.1  界面软件设计

软件设计主要包括两个部分，分别是上位机的界面软件以及单片机嵌入式软件，嵌入式软件主要实现单片机引脚功能的控制和切换、16位并口数据的读取，界面软件则通过读取测试板和设备的数据进行判断和显示。界面软件可以对所有能测试项目或者部分选中测试项目按一定顺序进行全自动测试。

在进入软件界面之后，首先需要选择被测集成电路型号，在点击确定之后，直到软件界面关闭本次选择的集成电路型号均不可改变，若需要更改型号，需要关闭界面再重新进入界面进行选择。完成所有测试后，切断信号源输出，切断电源供电，提醒当前集成电路是否通过测试，以Excel形式输出测试报告并自行保存在设置的路径下。

图4界面软件示意图

界面软件如图4所示，可实现对集成电路15个参数的自动测试，其中转换精度和基准电压为关键指标，电源电压、电流是通过计算机串口直接读取程控电源的实际电压值和电流值。

3.2  转换精度、积分非线性误差测试原理

转换精度是集成电路最重要的指标，该测试主要由界面软件控制程控电源、轴角信号源完成测试用例的参数配置和输出控制，同时将集成电路参数配置命令传输给控制电路，由控制电路完成对被测集成电路的控制，每隔15°采集集成电路输出的角度数字量。

根据集成电路分辨率覆盖12位-16位、具备串口和并口、频率范围2kHz-20kHz的输出特性，转换精度和积分非线性的测试参数组设计见表1。

表1 测试转换精度和积分非线性的参数配置

采用同一个角度值进行多次采集的方法进行测试，由界面控制软件对数据进行计算处理，采集到的单个角度值与标准值的误差为当前角度值的积分非线性误差，积分非线性误差的统计平均值为当前角度的精度值。

3.3 基准电压和基准电压抑制测试原理

该测试需要由界面软件对电源和数字万用表进行控制，主要采集和计算步骤如下：

（1）控制电路控制集成电路输出10MHz参考信号，同时控制继电器将被测集成电路REFOUT引脚和模拟地引脚切换至数字万用表的测试点，直流模式下读取基准电压值；

（2）界面控制软件分别读取电源标称值上限5%、下限5%情况下数字万用表的交流电压数据、，基准电压抑制值计算方法为：

  （1）

4  系统运行情况

通过以上论述，完成了RD2S系列集成电路自动测试系统的设计，为了检验测试系统的性能，对该系统进行了搭建、调试运行。系统搭建完成后，热流仪输出口能顺利覆盖测试板保温罩，输出口和测试板之间增加了缓冲密封垫用来保障高低温测试时的温度，如图5所示。

图5 自动测试系统实物图

在系统调试环节，为确保系统测试结果的正确性，通过模拟集成电路电源引脚短接、数据引脚无输出、频率输出引脚失效等方式进行验证，各类集成电路失效模式均能有效识别，且测试结果与设置故障理论结果一致，确认了测试项目功能无误。测试结束后能够自动将测试结果保存在设置的路径下。

经实际监测，单一温度下单片集成电路的测试时间不超过3min，比手动测试时间缩短约9min，三温总耗时缩短至15min，测试效率得到极大提升。

5  总结

针对RD2S系列轴角型集成电路手动测试存在的问题，本文设计了一种专用自动测试系统，经实际验证后不仅实现了预期功能，且测试效率和测试质量得到了较大提升，对同类轴角型集成电路的测试系统设计工作具有重要的借鉴意义。

参考文献：

[1]陈大科,颜耀.一种采用AD2S1210实现LVDT到数字转换方法[J].微电机,2020,53(10):99-102+106.

[2]王识君,朱纪洪,和卫星等.AD2S1210在伺服电机控制系统中的应用[J].信息技术,2015(07):102-105.

[3]王小强,范剑峰,刘竞升.基于测试分选机的集成电路三温量产测试系统[J].电子产品可靠性与环境试验,2021,39(S1):1-6.

[4]路峻豪,李澍,石洪.一种轴角数字转换模块自动测试实现方法[J].新型工业化,2020,10(02):121-124.

[5]夏伟,廖良闯,奚志林.一种基于DSP的全参数轴角模拟测试仪器[J].电子测量技术,2012,35(02):117-120+129.

[6]寇志强.基于LabVIEW轴角转换器测试系统设计[J].电子测量技术,2014,37(06):73-76+81.

李康（1990—），男，汉，江苏省徐州市，硕士研究生，工程师。研究方向为运动控制系统中的人机操控、轴角测试技术。