- FPGA測試方案
- FPGA測試已經成為業界關注的焦點
- 測試工具的選擇和應用
- 邏輯分析儀和MSO混合示波器是FPGA的主要外部測試工具
- 通過示波器進行眼圖和抖動測試
大容量、高速率和低功耗已成為FPGA的發展重點。
嵌入式邏輯分析工具無法滿足通用性要求，外部測試工具可以把FPGA內部信號與實際電路聯合起來觀察系統真實運行情況。
隨著FPGA技術的發展，大容量、高速率和低功耗已經成為FPGA的發展重點，也對FPGA測試提出了新的需求。本文根據FPGA的發展趨勢，討論了FPGA測試面臨的挑戰，并提出了基于測試儀表的FPGA測試方案。
FPGA處于高速發展期
FPGA技術正處于高速發展時期。目前其產品的應用領域已經擴展到通信、消費電子、汽車電子、工業控制、測試測量等各個領域。從長遠來看，FPGA的發展呈如下趨勢：
第一，更大容量。容量是FPGA最基本的技術參數，也是市場發展的焦點。每次新工藝芯片的發布，都意味著芯片容量的增加，也都會為FPGA拓展新的應用領域。因此，無論是哪個FPGA廠家，哪種類型的產品，都在瞄準這個方向而努力。
第二，更高速度。隨著多媒體技術的廣泛應用，當今大多數系統的瓶頸是數據引起的I/O帶寬問題。為了進一步推廣FPGA的應用，當今流行的FPGA都可以提供各種高速總線。而為了解決高速數據傳輸的問題，FPGA通過集成SerDes提供高速串行I/O，為各種不同標準的高速傳輸提供極大的靈活性。
第三，更強的動態可編程能力。隨著FPGA的廣泛應用，FPGA平臺漸漸成為部分系統的核心。而隨著系統日益復雜和性能進一步提高，不斷縮短的產品生命周期和上市時間，不斷完善的協議標準，以及不斷提出的平臺優化需求，都需要FPGA具有更強的動態編程能力。
第四，低功耗。功耗已經成為所有電子產品無法回避的主要問題。對于FPGA而言，功耗也是其無法取代專業ASIC的一個主要原因。這也直接決定了所有以電池供電的手持式應用都基本無法直接使用FPGA，如智能手機、平板電腦等主流消費電子類產品。
FPGA測試成業界重點
相比于FPGA芯片的飛速發展，對于FPGA的測試已經越來越成為業界的重點和難點。簡單而言，對FPGA測試的挑戰主要在如下幾個方面：
第一，FPGA功能的不確定性。FPGA電路結構與一般ASIC電路不同，在沒有進行編程下載配置前，FPGA的功能是不確定的。這也是為什么FPGA無法完全采用ASIC測試方案的原因。要完成FPGA的測試需要對FPGA進行編程，使芯片實現相應的邏輯功能，并在I/O上施加相應的測試向量，再通過相應工具判斷其響應是否正確。因此，采用何種測試電路、何種測試方案及測試向量，如何利用測試工具使編程次數和編程速度最少，是短時間內完成FPGA測試的主要問題。
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第二，測試工具的選擇和應用。嵌入式邏輯分析工具和外部測量工具是很多客戶的選擇。簡單而言：嵌入式邏輯分析工具一般由FPGA廠家自行提供，其優點在于價格便宜，但卻無法具有測試所需的通用性要求。而且從分析方式、存儲能力等角度來看，嵌入式邏輯分析工具都弱于通用性更強的外部測試工具。而對于外部測試工具而言，除了可以提供更好的通用性，也可以把FPGA內部信號與實際電路聯合起來觀察系統真實運行的情況。當然，外部測試工具價格比較昂貴，也可以用于其他電路系統測試需求。
第三，高速信號的信號完整性和時鐘抖動分析。隨著FPGA工藝的發展，FPGA的I/O信號速率越來越高。對于高速I/O信號的完整性分析，我們希望得到最精確的特性，也希望能夠對偶發的錯誤信號進行快速有效的捕捉和獲取。在此基礎上，高靈敏度的檢測工具也是保證高速信號完整性必不可少的手段。另外，利用FPGA實現大型設計時，可能需要FPGA具有以多個時鐘運行的多重數據通路，這種多時鐘FPGA設計必須特別小心。在實際使用過程中，由于參考時鐘穩定性、內部PLL、并串轉換和高速輸出緩存以及硬件電路本身的噪聲都會引起時鐘抖動。因此對時鐘的測試也是FPGA非常重要的部分。
基于外部測試工具提供方案
測試儀表廠商主要提供基于外部測試工具的測試解決方案，可以滿足如高速信號的完整性及系統時鐘抖動的相關測試需求，此時使用的主要測試儀表為示波器。
對信號進行高保真測試，對于示波器而言，需要高性能的射頻前端以保證檢測信號的靈敏度及優異的本底噪聲。此外，相比于傳統模式通過交錯技術由多個ADC實現的高采樣率系統，單核高采樣率ADC可以保證最小的信號失真和提高測試的動態范圍，并且進一步提升測試的有效比特位以達到信號完整性分析的目的。
對高速串行信號和時鐘進行測試和驗證，最基本的工具是通過示波器進行眼圖和抖動測試。因為眼圖能夠非常直觀的反映一條被測信號路徑上的整體信號質量問題。
使用示波器對高速信號進行測試，帶寬是其最基本的需求。根據信號的傳輸速率和上升時間，盡量選擇高帶寬的示波器，這樣測試結果才能保留足夠多的諧波分量，構建高精度的眼圖測試結果。通過示波器進行眼圖和抖動測試時，采集的數據量的大小非常關鍵，高速內存不僅決定了測試樣本數目的多少，也決定了示波器能夠測試的抖動的頻率范圍。
除示波器外，對于多路被測信號而言，邏輯分析儀和MSO混合示波器也是FPGA的主要外部測試工具，其工作原理與示波器基本一致。而相應工具包的使用，也可以大大提高外部測試的準確性和工作效率。
FPGA測試已經成為業界關注的焦點，基于外部測試工具，目前R&S的RTO已經可以提供高速信號完整性分析及抖動測試方案，以滿足客戶的測試需求。
