文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)05-0089-04
集成電路測試是對集成電路或模塊進行檢測,通過測量集成電路輸出響應與預期輸出進行比較,以確定或評估集成電路元器件功能和性能的過程,是驗證設計、監(jiān)控生產、保證質量、分析失效以及指導應用的重要手段[1]。數字集成電路DIC(Digital Integrated Circuit)測試是集成電路測試的一個主要分支,是一種保障數字集成化芯片內部電路質量和邏輯功能完整性的測試,主要應用于雙極型數字集成芯片(TTL系列)和場效應型數字集成芯片(MOS系列)的檢測。目前世界上高檔集成電路測試系統(tǒng)大都是日本和美國生產的,如美國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。我國在半導體行業(yè)起步晚于發(fā)達國家,芯片測試行業(yè)也是如此,國內的大部分高端測試市場被國外的測試企業(yè)占據。購買國外的測試設備一般都價格昂貴,隨著數字集成芯片的使用日益頻繁,急需一種應用在中小型規(guī)模的數字集成電路檢測設備來保障其性能[2],本文設計的虛擬數字集成電路測試儀就是從通用、快捷、準確、廉價等幾個基本優(yōu)勢點出發(fā),將其集成在吉林大學自主研發(fā)的VIIS-EM平臺上。VIIS-EM平臺的全稱為虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring),它基于模塊化儀器的設計思想,采用“一個控制器+多個功能模塊”的構建方式,方便了儀器的可重構性,上位機采用LabVIEW軟件作為工具進行圖形化編程,操作界面友好,自定義功能強大,方便于功能擴展[3]。文中詳細闡述了虛擬數字集成電路測試儀的設計理念和實現方案,重點論述了系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件處理方法。并給出了實測結果,驗證了儀器測試的可行性。
1 VIIS-EM平臺與DIC測試技術簡介
VIIS-EM平臺機箱內置了直流穩(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準的3U(3.94英寸×6.3英寸)尺寸進行設計,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個插槽,從左向右依次為0號槽、1號槽……8號槽。
在檢測DIC芯片時,需要依照一定的測試順序對芯片進行檢測,順序的合理性會使測試變得清晰,高效。一般的數字集成電路測試順序為接觸性測試、功能測試、直流參數測試及交流參數測試。
(1)接觸性測試,隸屬于直流參數測試的范疇,目的是為了驗證芯片的各功能引腳是否正確連接。測試原理為在被測器件所有管腳都接到地的情況下,對被測管腳施加電流并測量相應的電壓,通過得到的電壓值來判斷其連接性是否完好。
(2)功能測試,驗證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,一種是存儲響應法。金器件即已知無誤的芯片。測試時,通過同時檢測被測器件和金器件,來對比判斷芯片的好壞,這種測試方法具有依賴性,不能獨立地進行測試操作,故本設計采用存儲響應法的測試原理,將輸入激勵值和輸出期望值都存入外部數據庫中,測試時通過將實測值與期望值進行對比來判斷芯片的好壞。
(3)直流參數測試,對DIC芯片的管腳進行電壓電流測試,只要芯片通過了這些測試,就可保證其基本性能,對時間要求不是十分嚴格。測試的項目主要有輸出高/低電平(VOH/VOL)測試;輸入高/低電流(IIH/IIL)測試;輸入漏電流II測試;輸出短路電流IOS測試;電源電流測試等;
(4)交流參數測試,主要檢測器件內部的晶體管在轉換狀態(tài)時的時序關系,包括一些時間常數。本設計只針對芯片的功能測試和直流參數測試,沒有包括交流參數測試部分,故此處只做簡單介紹。
2 系統(tǒng)總體結構設計
按層次結構分,系統(tǒng)可分為軟件應用層、設備驅動層和硬件物理層。應用層使用LabVIEW軟件進行編程,用于控制儀器和對采集的數據進行分析、處理及顯示,同時LabVIEW中提供了“互聯接口”函數可動態(tài)地調用儀器驅動程序。儀器驅動程序屬于上層驅動,在運行時與底層USB驅動進行交互通信,實現板卡識別、消息傳遞等功能。硬件物理層使用“微處理器+FPGA”進行數據接收、發(fā)送和譯碼,并在前端搭建調理電路,實現不同邏輯電平的輸出、微安級恒流源的輸出、數模信號采集等功能。
3 虛擬數字集成電路測試儀硬件電路設計
根據模塊化設計思想,將整個系統(tǒng)的硬件部分分成總線接口通信模塊、信號激勵模塊、數據采集模塊三個部分。硬件結構圖如圖1所示。
系統(tǒng)通過FPGA中自定義的雙口RAM電路實現與總線的接口通信。系統(tǒng)上電時,微處理器負責初始化設備,向雙口RAM中寫入配置信息,配置信息通過系統(tǒng)總線傳輸到總線控制器;在儀器運行過程中,若更改上位機控制命令,則模塊板卡的微處理器也會通過雙口RAM從總線控制器上讀取相應的配置信息。
3.2 信號激勵模塊
信號激勵模塊可提供數字邏輯電平輸出和直流電壓/電流信號輸出。數字邏輯電平輸出用于驅動被測DIC芯片,測試其邏輯功能,本設計采用74LVC245A芯片轉換LVTTL電平為TTL電平,用來驅動被測TTL數字集成芯片,對于CMOS型數字集成芯片,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CMOS電路,在設計時采用外接4.7 k?贅上拉電阻將TTL輸出電平拉高,來驅動被測CMOS芯片。
為了對DIC芯片進行接觸性檢測和直流參數測試,須對被測芯片提供必要的直流電壓/電流激勵信號。本設計采用BB公司的數模轉換器DAC902搭建直流電壓輸出電路,此芯片的轉換位數為12 bit,數據邊沿觸發(fā)鎖存,差分電流輸出,加負載電阻轉換成直流電壓信號,外接差分放大電路,將D/A差分輸出的±1 V轉為單極性輸出,同時將電壓放大2.5倍,差分放大電路如圖2所示。
測試中所用的直流電流激勵信號要求微安級別,DAC902不滿足測試要求,設計中采用儀表放大器AD620和OPA602搭建出帶跟隨反饋的高精度微安級數控恒流源[4],如圖3所示。
3.3 數據采集模塊
數據采集模塊分為邏輯電平信號采集部分和直流電壓/電流信號采集部分,它們在FPGA中公用一條8位數據總線,通過多路復用器進行模式選擇。邏輯電平信號采集利用74LVC245A進行TTL/LVTTL電平轉換,輸出信號符合FPGA輸入電平標準,故直接采用FPGA進行LVTTL電平采樣;直流電壓/電流信號的采集使用ADI公司的雙8 bit高速模數轉換器AD9288BST-40,前端調理電路進行電壓衰減和驅動放大,使其輸出電壓在A/D的允許范圍內。
采集到的邏輯電平信號和直流電壓/電流信號按每次8 bit數據緩存在FPGA的FIFO中。FIFO緩存電路如圖4所示,每個FIFO設置為2.5 KB的存數空間,寫速率時鐘wclk最高可以達到20 MHz,即采集系統(tǒng)的最高采樣頻率,FIFO的輸出端通過一個三態(tài)門實現數據的復用。
4 虛擬數字集成電路測試儀軟件設計
系統(tǒng)上位機部分使用LabVIEW軟件進行編程,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,用來設置儀器參數以控制儀器;程序框圖包含各種功能函數,可進行數據的運算處理和通信。以模塊來劃分,本儀器的軟件部分主要分為數據通信模塊、數據庫調用模塊和數據處理模塊。
4.1 數據通信
LabVIEW中集成了功能強大的數據接口通信函數,能實現上位機與硬件模塊的連接控制。本系統(tǒng)軟件通過CLF(Call Library Function)節(jié)點函數調用動態(tài)鏈接庫。在發(fā)送命令消息時將LabVIEW中的數據類型映射為DLL文件中定義的數據類型,實現命令參數的傳遞。同樣,在數據采集時,通過CLF節(jié)點函數將硬件模塊采集到的數據映射為LabVIEW數據類型, 以完成進一步的處理與顯示。
4.2 數據庫調用
無論哪種匯編語言,都是在底層驅動的基礎上,利用ODBC或者DAO、ADO調用API接口來操作數據庫的。LabVIEW中集成了數據庫連接工具包,封裝了ADO(ActiveX Data Objects)的接口,為數據庫的調用提供了編程環(huán)境。本系統(tǒng)軟件即通過UDL建立數據源連接字符串,使用ADO模型調用Microsoft Office中的Access來實現數據庫操作的。Access數據庫中記錄了九類常用數字芯片的邏輯關系,在初始化設定時,系統(tǒng)根據被測試芯片的芯片型號加載相應的數據庫。在自動測試過程中,根據數據庫表中建立的邏輯關系對芯片進行逐步激勵。并采集輸出邏輯信息,與數據庫中期望值進行比對,若邏輯值符合期望標準則測試通過。
4.3 數據處理
采集到的數據信息通過CLF節(jié)點傳遞到上位機軟件中,根據硬件FIFO存儲容量限制,每路通道每次最大能讀取320 B數據,16路數據存儲在一個具有5 120個元素的一維數組中。在數據顯示時,通過“抽取一維數組”函數和“索引數組”函數將一維數組數據拆分為16組布爾量,每組布爾量再轉換為“0,1”邏輯序列,由數字波形圖顯示出來。
5 數據顯示及實測結果
圖5中顯示的是測試74LS02N芯片功能好壞的測試用例,以圖中面板中央位置顯示的真值表項為依據,虛擬數字集成電路測試儀順次給硬件模塊發(fā)送激勵信號,作用于被測芯片,同時讀取采樣電平與數據庫標準邏輯比對,測試通過則顯示文本提示并點亮相應的測試燈,右下方進度條代表測試進度。
圖6所示為74LS02N的直流參數的測試結果,通過在芯片的各功能引腳處施加規(guī)定的電壓電流信號,測量輸出的直流參數是否在允許的范圍內來判斷芯片性能的好壞。測試時將74LS02N的PIN 4引腳開路作為異常情況測試。
采用VIIS-EM平臺下研制的虛擬數字集成電路測試儀,通過反復的實驗測試,表明對于常見的74系列和54系列數字集成芯片,系統(tǒng)能夠準確快速地驗證其邏輯功能的正確性和完整性,對于損壞的芯片能找出其問題引腳。系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于應用了當今最前沿的模塊化結構設計思想,優(yōu)化了系統(tǒng)的設計、調試以及維護[5]。采用以計算機為核心的虛擬儀器技術,替代了傳統(tǒng)儀器的部分硬件電路,改善了傳統(tǒng)儀器笨重復雜等缺點,同時增加了儀器的可操作性和用戶的自定義功能,在成本方面,基于虛擬儀器技術來搭建的系統(tǒng)價格也得到了大幅度降低。另外,本虛擬數字集成電路測試儀可擴展性強,可在通用性基礎上進行功能提升、擴充,具有豐富的可重構前景。由于系統(tǒng)數據總線的位數限制,本儀器目前能夠實現16位數字信號的采集,在未來的總線開發(fā)上還有待提高。
參考文獻
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[2] WEST G L. A microcomputer-controlled testing system for digital integrated circuits[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, 1980,IECI-27(4).
[3] 阮奇楨. 我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.
[4] 胡波, 李波, 羅賢虎,等. 微安級數控恒流源的設計[J]. 電子技術,2010(4).
[5] 吳忠杰, 林君. 虛擬測試系統(tǒng)中模塊化儀器關鍵技術研究[J]. 儀器儀表學報,2005(22):280-283.