使用PXI总线提高MEMS麦克风的测试效率

作者:凌华科技 魏铭延  来源:中国电子商情

发布时间:2016-05-23

随着手机、平板电脑等移动设备对麦克风信号品质的要求提升，各项诸如高保真(HD)语音、噪声抑制、主动式过滤背景噪音、波束成形、指向性收音、立体声场重建技术、语音识别等麦克风信号处理技术逐渐被开发。另一方面，单一产品配置多重麦克风也成为一种趋势，目前市面上可见的部分新型智能手机已导入配置多个MEMS麦克风的设计，较前一代手机实现了更好的环境噪声抑制性能。2015年，旗舰级智能手机皆已将MEMS麦克风安装数量推升至三颗以上，以兼容高保真语音、环境消噪、特定噪声滤除、指向性收音和语音辨识等先进功能，由此可预见，MEMS麦克风在市场上将引领应用的热潮。

除了移动设备的市场规模日趋增长，MEMS麦克风也搭上了语音识别的热潮，大举在穿戴式电子、智慧家庭、工业自动化(Industrial Automation)和联网汽车等物联网应用领域攻城掠地，有望创造另一波成长高峰。对于智慧家庭声控设备应用，更是导入7颗MEMS麦克风的配置，让使用者在家中各个方位皆能下达联网和影音操作的语音指令。工控设备和联网汽车也全面引进语音识别功能，更刺激着未来MEMS麦克风市场增长。

MEMS麦克风的高声学规格需求及高产能检测需求
MEMS的技术问世使得麦克风的体积越来越小，性能也越来越高。MEMS麦克风具有传统驻极体电容式麦克风(ECM)所没有的优势，如低总谐波失真(THD)、高信噪比(SNR)、高灵敏度(Sensitivity)、平坦的音频响应(Frequency Response)、低功耗、温度耐受性良好易于表面贴焊、体积轻薄等优势，已形成一股技术时代以旧换新的潮流。而针对高品质的MEMS麦克风性能验证，需要依赖上述数个重要性能的检测指标。制造厂商不能再使用过去的传统检测方式，而高价位的声学检验系统又往往不能满足高产能需求。因此，各厂商开始寻求更高性能的音频测试方案。

MEMS麦克风产线检测的性能规格与面临的困难
当音质效果成为消费性电子产品是否获得消费者青睐的重要因素时，厂商除了要以优异的电子技术与产品系统设计来提升产品功能，完善的音质测试也已成为确保产品品质的关键。

MEMS麦克风音质检测，难以兼顾测试规格与测试产能
针对MEMS麦克风检测，其一选择为采用专业的音频分析仪，然而，一台检测功能完备的音频分析仪，对于快速大量制造的多生产线制造商来说是不小的成本负担。另一种普遍采用的测试方法是用一般声卡与PC连接当作测试仪器。这种解决方案可以对声音元件的最大声压、频率响应、总谐波失真(THD)等项目进行测试，但其所能检测的品质的上限受限于声卡的等级高低。以意法半导体生产的MEMS麦克风为例，所需检测的规格为THD -94db，SNR 61db (A-weighted at 1 kHz, 1 Pa)。检测设备的THD要够低，且SNR要优于被检测对象，才有办法对产品进行性能检测(Performance Test)，而一般的声卡检测无法达到此规格。

图1  PXI-9527 / PXIe-9529高动态范围与良好的电气规格满足MEMS麦克风检测性能

检测频率响应的平坦度缺乏一致性
对MEMS麦克风来说，其中一项重要的规格是频率响应的平坦度。这项检验由音源发出一段时间的扫频(Frequency Sweeping)信号，检测过程发出的信号逐渐改变，接收端也会收到一个连续变动频率的信号。如果信号采集设备本身规格与特性就不具有足够的信号平坦度，对于产品检测的重复性(Repeatability)也会有极大的影响。

一般采集卡各通道间非同步采样，信号整合困难
一般的信号采集卡，在各通道间采用多路复用技术(Multiplexing Technology)进行信号采集，使得各通道间共享信号的采样速率，并且通道间的信号存在时间差而无法同步。当通道数增加，共享采样速率会造成高频区域采样到达上限。此外，多通道之间的时间差，将随着检测样品数量增加，而造成通道间极大的时序误差。在这种情况下，需进行大量的信号处理以便对齐各通道间的庞大信号，此处理需要消耗大量时间，造成检测产能的下降。

MEMS麦克风产线测试解决方案
针对MEMS麦克风产线测试当中所面临到的各种挑战，凌华科技的高分辨率动态信号采集模块系列将为使用者提供一个更有效率的解决方案。凌华科技PXIe-9529是一款24位高分辨率、动态范围高达110 dB，并具备高达8个输入通道的信号采集模块，8个通道皆有独立的模拟数位转换电路，凭借采集卡内部时钟便能轻易进行多通道间同步采样，大大地增加了单个PXI机箱内所能容纳的总通道数。

图2  凌华科技MEMS麦克风产线测试解决方案系统架构

此外，MEMS麦克风检测需要有音源，以及信号扫频需求，并且将信号源与检测系统在控制上同步。PXI-9527提供24位、高动态范围的信号输出，最高可达216 kS/s同步更新，其THD、SNR规格满足音频测试的输出需求，可作为良好的测试信号源。此外，PXI-9527提供高达432 kS/s同步采样、AC/DC耦合，能提高测量的有效灵敏度，内建抗混叠(Anti-aliasing)滤波器，并具备提供4 mA bias current的能力而相容于Integrated Electronic Piezo-Electric (IEPE) 麦克风感测器。PXI-9527能提供高分辨率、高动态范围、优于检测需求的信号输出源，有助于音频测试与声学扫频测量，易于与9529搭配，让使用者无需另购信号源整合，并且可轻易地在实现系统自我检测(System Self-test)，降低产线上的出错困扰。

凌华科技高性能信号采集模块支持Visual C++/C#、VB.NET、LabVIEW、MATLAB开发平台，易于快速构建测试系统，能有效缩短测试周期，提升测试效率，可客户加速产品上市时间。

此外，凌华科技专为智能手机音频测试和扬声器音频测试而设计的数据采集和分析软件Audio Analyzer，搭配使用24位高动态范围数据采集模块PXI-9527和PXIe-9529，可以对总谐波失真和信噪比等项目进行精确测量。Audio Analyzer不仅可以作为快速验证设备的小工具，也可以通过内置的序列测试功能，用来搭建生产线自动化测试系统，无需使用C/C++或Labview等编程环境重新开发测试程序，从而缩短了系统的开发周期，提高测试效率，降低成本。