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基于VIIS-EM平臺的虛擬數字集成電路測試儀的設計
來源:電子技術應用2013年第5期
尹超平, 張秉仁, 趙吉祥
吉林大學 儀器科學與電氣工程學院,吉林 長春 130026
摘要: 基于模塊化虛擬儀器的設計思想,設計出一種以VIIS-EM平臺為核心,以LabVIEW為工具進行圖形化編程的虛擬數字集成電路測試儀,并論述了其實現方案。重點分析了硬件電路的搭建思路和軟件的控制流程,最后給出虛擬數字集成電路測試儀的測試結果。
中圖分類號: TN407
文獻標識碼: A
文章編號: 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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