《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于VIIS-EM平臺(tái)的虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀的設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第5期
尹超平, 張秉仁, 趙吉祥
吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130026
摘要: 基于模塊化虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)出一種以VIIS-EM平臺(tái)為核心,以LabVIEW為工具進(jìn)行圖形化編程的虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀,并論述了其實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)分析了硬件電路的搭建思路和軟件的控制流程,最后給出虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果。
中圖分類號(hào): TN407
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)05-0089-04
Design of a virtual digital integrated circuits testing system based on VIIS-EM platform
Yin Chaoping, Zhang Bingren, Zhao Jixiang
Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China
Abstract: According to the concept of the modularization virtual instrument, this paper has designed a kind of Digital Integrated Circuits Testing System and discussed its realization scheme. It uses VIIS-EM platform as the core of the instrument and LabVIEW as the programming tool in the computer. It specifically analyzed the construction of hardware and software control flow. It gives the actual signal test results in the end.
Key words : virtual instrument; VIIS-EM,LabVIEW; digital integrated circuit

    集成電路測(cè)試是對(duì)集成電路或模塊進(jìn)行檢測(cè),通過測(cè)量集成電路輸出響應(yīng)與預(yù)期輸出進(jìn)行比較,以確定或評(píng)估集成電路元器件功能和性能的過程,是驗(yàn)證設(shè)計(jì)、監(jiān)控生產(chǎn)、保證質(zhì)量、分析失效以及指導(dǎo)應(yīng)用的重要手段[1]。數(shù)字集成電路DIC(Digital Integrated Circuit)測(cè)試是集成電路測(cè)試的一個(gè)主要分支,是一種保障數(shù)字集成化芯片內(nèi)部電路質(zhì)量和邏輯功能完整性的測(cè)試,主要應(yīng)用于雙極型數(shù)字集成芯片(TTL系列)和場(chǎng)效應(yīng)型數(shù)字集成芯片(MOS系列)的檢測(cè)。目前世界上高檔集成電路測(cè)試系統(tǒng)大都是日本和美國(guó)生產(chǎn)的,如美國(guó)Credanceo公司推出的Vanguard系列和SAPPHIRE系列,日本Advantest公司研制的T600系列等。我國(guó)在半導(dǎo)體行業(yè)起步晚于發(fā)達(dá)國(guó)家,芯片測(cè)試行業(yè)也是如此,國(guó)內(nèi)的大部分高端測(cè)試市場(chǎng)被國(guó)外的測(cè)試企業(yè)占據(jù)。購(gòu)買國(guó)外的測(cè)試設(shè)備一般都價(jià)格昂貴,隨著數(shù)字集成芯片的使用日益頻繁,急需一種應(yīng)用在中小型規(guī)模的數(shù)字集成電路檢測(cè)設(shè)備來保障其性能[2],本文設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀就是從通用、快捷、準(zhǔn)確、廉價(jià)等幾個(gè)基本優(yōu)勢(shì)點(diǎn)出發(fā),將其集成在吉林大學(xué)自主研發(fā)的VIIS-EM平臺(tái)上。VIIS-EM平臺(tái)的全稱為虛擬電子測(cè)量?jī)x器集成系統(tǒng)(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring),它基于模塊化儀器的設(shè)計(jì)思想,采用“一個(gè)控制器+多個(gè)功能模塊”的構(gòu)建方式,方便了儀器的可重構(gòu)性,上位機(jī)采用LabVIEW軟件作為工具進(jìn)行圖形化編程,操作界面友好,自定義功能強(qiáng)大,方便于功能擴(kuò)展[3]。文中詳細(xì)闡述了虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)方案,重點(diǎn)論述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件處理方法。并給出了實(shí)測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了儀器測(cè)試的可行性。

1 VIIS-EM平臺(tái)與DIC測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介
    VIIS-EM平臺(tái)機(jī)箱內(nèi)置了直流穩(wěn)壓電源和系統(tǒng)總線背板。集成在系統(tǒng)中的功能模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)的3U(3.94英寸×6.3英寸)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),各模塊均通過96腳的歐式連接器與系統(tǒng)背板相連,系統(tǒng)背板具有9個(gè)插槽,從左向右依次為0號(hào)槽、1號(hào)槽……8號(hào)槽。
    在檢測(cè)DIC芯片時(shí),需要依照一定的測(cè)試順序?qū)π酒M(jìn)行檢測(cè),順序的合理性會(huì)使測(cè)試變得清晰,高效。一般的數(shù)字集成電路測(cè)試順序?yàn)榻佑|性測(cè)試、功能測(cè)試、直流參數(shù)測(cè)試及交流參數(shù)測(cè)試。
   (1)接觸性測(cè)試,隸屬于直流參數(shù)測(cè)試的范疇,目的是為了驗(yàn)證芯片的各功能引腳是否正確連接。測(cè)試原理為在被測(cè)器件所有管腳都接到地的情況下,對(duì)被測(cè)管腳施加電流并測(cè)量相應(yīng)的電壓,通過得到的電壓值來判斷其連接性是否完好。
   (2)功能測(cè)試,驗(yàn)證DIC芯片的邏輯完整性。通常有兩種方法可供選擇,一種是金器件法,一種是存儲(chǔ)響應(yīng)法。金器件即已知無誤的芯片。測(cè)試時(shí),通過同時(shí)檢測(cè)被測(cè)器件和金器件,來對(duì)比判斷芯片的好壞,這種測(cè)試方法具有依賴性,不能獨(dú)立地進(jìn)行測(cè)試操作,故本設(shè)計(jì)采用存儲(chǔ)響應(yīng)法的測(cè)試原理,將輸入激勵(lì)值和輸出期望值都存入外部數(shù)據(jù)庫中,測(cè)試時(shí)通過將實(shí)測(cè)值與期望值進(jìn)行對(duì)比來判斷芯片的好壞。
   (3)直流參數(shù)測(cè)試,對(duì)DIC芯片的管腳進(jìn)行電壓電流測(cè)試,只要芯片通過了這些測(cè)試,就可保證其基本性能,對(duì)時(shí)間要求不是十分嚴(yán)格。測(cè)試的項(xiàng)目主要有輸出高/低電平(VOH/VOL)測(cè)試;輸入高/低電流(IIH/IIL)測(cè)試;輸入漏電流II測(cè)試;輸出短路電流IOS測(cè)試;電源電流測(cè)試等;
    (4)交流參數(shù)測(cè)試,主要檢測(cè)器件內(nèi)部的晶體管在轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)的時(shí)序關(guān)系,包括一些時(shí)間常數(shù)。本設(shè)計(jì)只針對(duì)芯片的功能測(cè)試和直流參數(shù)測(cè)試,沒有包括交流參數(shù)測(cè)試部分,故此處只做簡(jiǎn)單介紹。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    按層次結(jié)構(gòu)分,系統(tǒng)可分為軟件應(yīng)用層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層和硬件物理層。應(yīng)用層使用LabVIEW軟件進(jìn)行編程,用于控制儀器和對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及顯示,同時(shí)LabVIEW中提供了“互聯(lián)接口”函數(shù)可動(dòng)態(tài)地調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谏蠈域?qū)動(dòng),在運(yùn)行時(shí)與底層USB驅(qū)動(dòng)進(jìn)行交互通信,實(shí)現(xiàn)板卡識(shí)別、消息傳遞等功能。硬件物理層使用“微處理器+FPGA”進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、發(fā)送和譯碼,并在前端搭建調(diào)理電路,實(shí)現(xiàn)不同邏輯電平的輸出、微安級(jí)恒流源的輸出、數(shù)模信號(hào)采集等功能。
3 虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀硬件電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想,將整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分分成總線接口通信模塊、信號(hào)激勵(lì)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊三個(gè)部分。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    系統(tǒng)通過FPGA中自定義的雙口RAM電路實(shí)現(xiàn)與總線的接口通信。系統(tǒng)上電時(shí),微處理器負(fù)責(zé)初始化設(shè)備,向雙口RAM中寫入配置信息,配置信息通過系統(tǒng)總線傳輸?shù)娇偩€控制器;在儀器運(yùn)行過程中,若更改上位機(jī)控制命令,則模塊板卡的微處理器也會(huì)通過雙口RAM從總線控制器上讀取相應(yīng)的配置信息。
3.2 信號(hào)激勵(lì)模塊
    信號(hào)激勵(lì)模塊可提供數(shù)字邏輯電平輸出和直流電壓/電流信號(hào)輸出。數(shù)字邏輯電平輸出用于驅(qū)動(dòng)被測(cè)DIC芯片,測(cè)試其邏輯功能,本設(shè)計(jì)采用74LVC245A芯片轉(zhuǎn)換LVTTL電平為TTL電平,用來驅(qū)動(dòng)被測(cè)TTL數(shù)字集成芯片,對(duì)于CMOS型數(shù)字集成芯片,由于其高電平最小輸入電壓大于TTL電路高電平最大輸出電壓,故不能直接用TTL電平激勵(lì)CMOS電路,在設(shè)計(jì)時(shí)采用外接4.7 k?贅上拉電阻將TTL輸出電平拉高,來驅(qū)動(dòng)被測(cè)CMOS芯片。
     為了對(duì)DIC芯片進(jìn)行接觸性檢測(cè)和直流參數(shù)測(cè)試,須對(duì)被測(cè)芯片提供必要的直流電壓/電流激勵(lì)信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用BB公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC902搭建直流電壓輸出電路,此芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)為12 bit,數(shù)據(jù)邊沿觸發(fā)鎖存,差分電流輸出,加負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào),外接差分放大電路,將D/A差分輸出的±1 V轉(zhuǎn)為單極性輸出,同時(shí)將電壓放大2.5倍,差分放大電路如圖2所示。

    測(cè)試中所用的直流電流激勵(lì)信號(hào)要求微安級(jí)別,DAC902不滿足測(cè)試要求,設(shè)計(jì)中采用儀表放大器AD620和OPA602搭建出帶跟隨反饋的高精度微安級(jí)數(shù)控恒流源[4],如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊分為邏輯電平信號(hào)采集部分和直流電壓/電流信號(hào)采集部分,它們?cè)贔PGA中公用一條8位數(shù)據(jù)總線,通過多路復(fù)用器進(jìn)行模式選擇。邏輯電平信號(hào)采集利用74LVC245A進(jìn)行TTL/LVTTL電平轉(zhuǎn)換,輸出信號(hào)符合FPGA輸入電平標(biāo)準(zhǔn),故直接采用FPGA進(jìn)行LVTTL電平采樣;直流電壓/電流信號(hào)的采集使用ADI公司的雙8 bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9288BST-40,前端調(diào)理電路進(jìn)行電壓衰減和驅(qū)動(dòng)放大,使其輸出電壓在A/D的允許范圍內(nèi)。
    采集到的邏輯電平信號(hào)和直流電壓/電流信號(hào)按每次8 bit數(shù)據(jù)緩存在FPGA的FIFO中。FIFO緩存電路如圖4所示,每個(gè)FIFO設(shè)置為2.5 KB的存數(shù)空間,寫速率時(shí)鐘wclk最高可以達(dá)到20 MHz,即采集系統(tǒng)的最高采樣頻率,F(xiàn)IFO的輸出端通過一個(gè)三態(tài)門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的復(fù)用。

4 虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上位機(jī)部分使用LabVIEW軟件進(jìn)行編程,主要分為前面板和程序框圖兩部分。前面板即用戶界面,定義各種輸入控件和顯示控件,用來設(shè)置儀器參數(shù)以控制儀器;程序框圖包含各種功能函數(shù),可進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理和通信。以模塊來劃分,本儀器的軟件部分主要分為數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)庫調(diào)用模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。
4.1 數(shù)據(jù)通信
    LabVIEW中集成了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口通信函數(shù),能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與硬件模塊的連接控制。本系統(tǒng)軟件通過CLF(Call Library Function)節(jié)點(diǎn)函數(shù)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫。在發(fā)送命令消息時(shí)將LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型映射為DLL文件中定義的數(shù)據(jù)類型,實(shí)現(xiàn)命令參數(shù)的傳遞。同樣,在數(shù)據(jù)采集時(shí),通過CLF節(jié)點(diǎn)函數(shù)將硬件模塊采集到的數(shù)據(jù)映射為L(zhǎng)abVIEW數(shù)據(jù)類型, 以完成進(jìn)一步的處理與顯示。
4.2 數(shù)據(jù)庫調(diào)用
    無論哪種匯編語言,都是在底層驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上,利用ODBC或者DAO、ADO調(diào)用API接口來操作數(shù)據(jù)庫的。LabVIEW中集成了數(shù)據(jù)庫連接工具包,封裝了ADO(ActiveX Data Objects)的接口,為數(shù)據(jù)庫的調(diào)用提供了編程環(huán)境。本系統(tǒng)軟件即通過UDL建立數(shù)據(jù)源連接字符串,使用ADO模型調(diào)用Microsoft Office中的Access來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作的。Access數(shù)據(jù)庫中記錄了九類常用數(shù)字芯片的邏輯關(guān)系,在初始化設(shè)定時(shí),系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)試芯片的芯片型號(hào)加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。在自動(dòng)測(cè)試過程中,根據(jù)數(shù)據(jù)庫表中建立的邏輯關(guān)系對(duì)芯片進(jìn)行逐步激勵(lì)。并采集輸出邏輯信息,與數(shù)據(jù)庫中期望值進(jìn)行比對(duì),若邏輯值符合期望標(biāo)準(zhǔn)則測(cè)試通過。
4.3 數(shù)據(jù)處理
     采集到的數(shù)據(jù)信息通過CLF節(jié)點(diǎn)傳遞到上位機(jī)軟件中,根據(jù)硬件FIFO存儲(chǔ)容量限制,每路通道每次最大能讀取320 B數(shù)據(jù),16路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)具有5 120個(gè)元素的一維數(shù)組中。在數(shù)據(jù)顯示時(shí),通過“抽取一維數(shù)組”函數(shù)和“索引數(shù)組”函數(shù)將一維數(shù)組數(shù)據(jù)拆分為16組布爾量,每組布爾量再轉(zhuǎn)換為“0,1”邏輯序列,由數(shù)字波形圖顯示出來。
5 數(shù)據(jù)顯示及實(shí)測(cè)結(jié)果
    圖5中顯示的是測(cè)試74LS02N芯片功能好壞的測(cè)試用例,以圖中面板中央位置顯示的真值表項(xiàng)為依據(jù),虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀順次給硬件模塊發(fā)送激勵(lì)信號(hào),作用于被測(cè)芯片,同時(shí)讀取采樣電平與數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)邏輯比對(duì),測(cè)試通過則顯示文本提示并點(diǎn)亮相應(yīng)的測(cè)試燈,右下方進(jìn)度條代表測(cè)試進(jìn)度。

    圖6所示為74LS02N的直流參數(shù)的測(cè)試結(jié)果,通過在芯片的各功能引腳處施加規(guī)定的電壓電流信號(hào),測(cè)量輸出的直流參數(shù)是否在允許的范圍內(nèi)來判斷芯片性能的好壞。測(cè)試時(shí)將74LS02N的PIN 4引腳開路作為異常情況測(cè)試。

 

 

    采用VIIS-EM平臺(tái)下研制的虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀,通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,表明對(duì)于常見的74系列和54系列數(shù)字集成芯片,系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地驗(yàn)證其邏輯功能的正確性和完整性,對(duì)于損壞的芯片能找出其問題引腳。系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于應(yīng)用了當(dāng)今最前沿的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想,優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試以及維護(hù)[5]。采用以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器技術(shù),替代了傳統(tǒng)儀器的部分硬件電路,改善了傳統(tǒng)儀器笨重復(fù)雜等缺點(diǎn),同時(shí)增加了儀器的可操作性和用戶的自定義功能,在成本方面,基于虛擬儀器技術(shù)來搭建的系統(tǒng)價(jià)格也得到了大幅度降低。另外,本虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀可擴(kuò)展性強(qiáng),可在通用性基礎(chǔ)上進(jìn)行功能提升、擴(kuò)充,具有豐富的可重構(gòu)前景。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)限制,本儀器目前能夠?qū)崿F(xiàn)16位數(shù)字信號(hào)的采集,在未來的總線開發(fā)上還有待提高。
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