劉小敏 姜慧強(qiáng) 王志宇 劉 童 陳 華 王立平 郁發(fā)新

（浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院 杭州 310027）

星載數(shù)模轉(zhuǎn)換器抗輻射性能評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)研制

劉小敏 姜慧強(qiáng) 王志宇 劉 童 陳 華 王立平 郁發(fā)新

（浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院 杭州 310027）

基于面向儀器系統(tǒng)的外圍組件互連擴(kuò)展(Peripheral Component Interconnection extensions for Instrumentation, PXI)平臺(tái)，提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高精度、高速、全自動(dòng)星載數(shù)模轉(zhuǎn)換器抗輻照性能評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用開(kāi)爾文四線法和均值濾波算法對(duì)芯片電流與電壓進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)，利用軟件配置矩陣開(kāi)關(guān)全自動(dòng)切換參數(shù)測(cè)量項(xiàng)，使用PXI總線同步與觸發(fā)模式控制實(shí)現(xiàn)模塊化儀器間的高速響應(yīng)，并使用三次樣條算法準(zhǔn)確提取單粒子飽和截面與線性能量傳輸值閾值?；谠撓到y(tǒng)對(duì)一款自主研發(fā)的星載數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輻照試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明研制的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、高效地評(píng)估出器件抗輻照性能。系統(tǒng)電壓識(shí)別精度為0.1μV，最高可支持24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器監(jiān)測(cè)，單粒子效應(yīng)電流變化與寄存器翻轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)頻率分別為50Hz與100Hz，總劑量效應(yīng)時(shí)單次表征參數(shù)遍歷時(shí)間為8 s。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器，總劑量效應(yīng)，單粒子效應(yīng)，LabVIEW

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與航天事業(yè)的不斷發(fā)展，高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter, DAC)廣泛應(yīng)用于空間電子系統(tǒng)中。然而，DAC在太空中實(shí)際工作時(shí)不可避免地受到宇宙射線、高能粒子的輻射影響，容易導(dǎo)致電性能惡化、數(shù)字邏輯發(fā)生翻轉(zhuǎn)，甚至功能失效，對(duì)衛(wèi)星電路控制系統(tǒng)造成巨大損壞，因此很有必要在工程應(yīng)用前在地面對(duì)DAC進(jìn)行抗輻射性能評(píng)估。

國(guó)內(nèi)外在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝等方面對(duì)DAC抗輻射加固的研究已開(kāi)展多年[1-2]，在不同劑量率、試驗(yàn)條件下的DAC輻照效應(yīng)和損傷機(jī)理亦有報(bào)道[3-5]，但對(duì)DAC抗輻射性能評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)卻鮮有提及。從DAC輻照效應(yīng)研究推斷出，目前進(jìn)行輻照效應(yīng)試驗(yàn)主要借助于大型綜合測(cè)試儀，或針對(duì)部分芯片建立了以微處理器為核心的分立輻照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6-7]。這類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通用性差、成本昂貴、可拓展性不強(qiáng)，無(wú)法滿足高精度、高速DAC的抗輻照性能評(píng)估測(cè)量需求。

本文在分析DAC抗輻照性能評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)需求和綜合國(guó)內(nèi)外DAC芯片輻照效應(yīng)監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)一套適用于星載DAC單粒子與總劑量抗輻射性能評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)，基于外圍組件互連擴(kuò)展(Peripheral Component Interconnection extensions for Instrumentation, PXI)總線并借助模塊化儀器與虛擬儀器技術(shù)，采用開(kāi)爾文四線法和均值采樣算法高精度監(jiān)測(cè)芯片電流與電壓，軟件配置矩陣開(kāi)關(guān)全自動(dòng)切換參數(shù)測(cè)量項(xiàng)，使用PXI總線同步與觸發(fā)模式控制達(dá)到模塊化儀器間的高速響應(yīng)，并采用三次樣條算法準(zhǔn)確抽取反應(yīng)單粒子敏感性的關(guān)鍵參數(shù)，開(kāi)發(fā)抗輻照性能評(píng)估測(cè)量程序與設(shè)計(jì)應(yīng)用電路夾具，實(shí)現(xiàn)對(duì)星載DAC抗輻照性能全面、精準(zhǔn)、高速評(píng)估。并以自主研發(fā)的串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為試驗(yàn)樣本，在蘭州重離子研究裝置(Heavy Ion Research Facility of Lanzhou, HIRFL)重離子加速器、HI-13串列加速器及60Co試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)DAC進(jìn)行抗輻射性能評(píng)估，為后續(xù)開(kāi)展DAC輻射效應(yīng)研究及批次鑒定檢驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)原理與組成

1.1輻照效應(yīng)與測(cè)量系統(tǒng)需求

DAC主要由譯碼電路、基準(zhǔn)電壓源、鎖存器、運(yùn)算放大器等模擬與數(shù)字部分組成，其抗輻射性能主要評(píng)估單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)。

DAC芯片在重離子照射時(shí)，固有的雙極性晶體管結(jié)構(gòu)形成可控硅結(jié)構(gòu)，在具備觸發(fā)信號(hào)、寄生三極管處于正向偏置、電流放大倍數(shù)足夠、電源可提供足以維持鎖定狀態(tài)的電流等條件時(shí)，容易產(chǎn)生單粒子鎖定[8]，通常表現(xiàn)為電流急劇增大，此外其數(shù)字邏輯也有可能發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生邏輯翻轉(zhuǎn)等誤動(dòng)作，導(dǎo)致控制偏差。在評(píng)估測(cè)量DAC芯片的單粒子效應(yīng)時(shí)，要求測(cè)量系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)高精度在線監(jiān)測(cè)能力和器件保護(hù)能力，且滿足邏輯翻轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)所需真空試驗(yàn)環(huán)境的接口需求。

總劑量輻射時(shí)，DAC的功能參數(shù)（電流、電壓等）、靜態(tài)參數(shù)（積分非線性誤差、微分非線性誤差、增益誤差、失調(diào)誤差等）以及動(dòng)態(tài)參數(shù)（無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、信噪比等）會(huì)發(fā)生退化，是很好的抗輻射性能評(píng)估指標(biāo)。針對(duì)目前開(kāi)展的不同偏置條件、不同劑量率、離線與在線監(jiān)測(cè)等條件的DAC輻照效應(yīng)試驗(yàn)，評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)具備表征參數(shù)量全覆蓋、靈活可拓展、自動(dòng)高效率化等特點(diǎn)。此外，考慮到測(cè)量?jī)x器設(shè)備的輻射保護(hù)，系統(tǒng)應(yīng)適用于長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)。

1.2系統(tǒng)構(gòu)架

基于上述測(cè)量系統(tǒng)需求，本文設(shè)計(jì)的抗輻射性能評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。該測(cè)量系統(tǒng)主要由PXI平臺(tái)上的模塊化儀器（矩陣開(kāi)關(guān)PXI-2510、獨(dú)立多通道四象限操作源測(cè)量單元(Source Measure Unit, SMU) PXIe-4141、高速數(shù)字I/O (High-Speed Digital I/O, HSDIO) PXIe-6545、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀PXIe-4492等）、評(píng)估測(cè)量軟件以及DAC輻照測(cè)量模塊等部分組成。其中DAC輻照測(cè)量模塊按照功能劃分為單粒子效應(yīng)測(cè)量模塊與總劑量效應(yīng)測(cè)量模塊，各模塊包括DAC常見(jiàn)輻照應(yīng)用電路和系統(tǒng)設(shè)備接口，使用Cadence Allegro對(duì)DAC輻照模塊進(jìn)行應(yīng)用電路與設(shè)備接口設(shè)計(jì)、版圖布局布線以及加工制作，實(shí)現(xiàn)多個(gè)待測(cè)對(duì)象(Device Under Test, DUT)與測(cè)量設(shè)備的電氣連接，為軟件自動(dòng)選擇待測(cè)對(duì)象與更改電氣連接奠定基礎(chǔ)。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of measurement system.

評(píng)估測(cè)量軟件的架構(gòu)為“事件+模塊化程序”，其流程圖如圖2所示，系統(tǒng)在初始化后依據(jù)評(píng)估項(xiàng)事件的消息驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行相應(yīng)的模塊化程序，以矩陣開(kāi)關(guān)為核心，全自動(dòng)監(jiān)測(cè)DAC各項(xiàng)電參數(shù)。在完成數(shù)據(jù)采集后的非事件響應(yīng)階段，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與參數(shù)提取、數(shù)據(jù)軟件前端顯示與數(shù)據(jù)報(bào)表存儲(chǔ)等，有效減少對(duì)CPU及硬件資源的占用。

圖2 軟件流程Fig.2 Flow chart of software.

輻照測(cè)量時(shí)，由于DUT置于真空試驗(yàn)環(huán)境或長(zhǎng)距離試驗(yàn)環(huán)境中，測(cè)量系統(tǒng)以矩陣開(kāi)關(guān)為核心，實(shí)現(xiàn)了儀器與待測(cè)對(duì)象硬件連接的自動(dòng)切換，該基于開(kāi)關(guān)矩陣的自動(dòng)切換輻照測(cè)量模式示意圖如圖3所示。設(shè)備與開(kāi)關(guān)通道前端ch[0-68]以及總線busA、 busB相連，多個(gè)被測(cè)對(duì)象與開(kāi)關(guān)通道后端dut[0-67]連接，通道開(kāi)關(guān)的狀態(tài)由軟件配置確定，該結(jié)構(gòu)為設(shè)備與被監(jiān)測(cè)對(duì)象之間的電信號(hào)提供了多種路由方式，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在無(wú)需更改硬件的條件下便可實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)多參數(shù)、多評(píng)估測(cè)量對(duì)象的監(jiān)測(cè)。

圖3 自動(dòng)切換示意圖Fig.3 Diagram of auto switch.

1.3單粒子效應(yīng)評(píng)估

單粒子效應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)，SMU各輸出通道與待測(cè)芯片電源輸入之間采用如圖4(a)所示的開(kāi)爾文連接方式，SMU的4線輸出分別獨(dú)立經(jīng)過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)，并在待測(cè)芯片電源輸入引腳處交匯短接。Force Line與Sense Line之間存在緩沖器，使得前者承載輸出而后者監(jiān)測(cè)輸出線上電流、電壓，對(duì)應(yīng)的軟件工作方式如圖4(b)所示，程序?qū)MU進(jìn)行初始化與用戶配置，一旦SMU開(kāi)啟輸出后則不斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際輸出情況，若與預(yù)期值不一致則對(duì)SMU進(jìn)行輸出微調(diào)整，確保待測(cè)對(duì)象實(shí)際承受的電壓為用戶設(shè)定值，從而消除電纜與接觸電阻對(duì)系統(tǒng)供電、監(jiān)測(cè)的影響。數(shù)據(jù)采集時(shí)，由評(píng)估測(cè)量軟件控制SMU與HSDIO提供芯片所需電源偏置與激勵(lì)信號(hào)，切換開(kāi)關(guān)矩陣以選定待監(jiān)測(cè)芯片，SMU工作在4線模式，以50Hz的頻率獲取被監(jiān)測(cè)芯片的工作電壓、電流。一旦監(jiān)測(cè)到電流超過(guò)設(shè)定閾值，源測(cè)量單元限制輸出以保護(hù)器件，程序界面報(bào)警并完成一次單粒子鎖定統(tǒng)計(jì)，定時(shí)重啟上電并繼續(xù)監(jiān)測(cè)是否再次發(fā)生鎖定。

圖4 開(kāi)爾文接法(a)及在系統(tǒng)(b)中的應(yīng)用Fig.4 Kelvin connections (a) and its application in system (b).

若監(jiān)測(cè)芯片結(jié)構(gòu)中含有寄存器，由評(píng)估測(cè)量軟件新開(kāi)一個(gè)線程進(jìn)行工作，以最快100Hz的頻率讀、寫寄存器，提供翻轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（讀取值與非照射芯片返回值比較）與翻轉(zhuǎn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)（循環(huán)讀取過(guò)程中將本次讀取值與前次讀取值比較）兩種模式，評(píng)估芯片系統(tǒng)功能失效率和器件本身抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力。以翻轉(zhuǎn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)為例，對(duì)應(yīng)第i種試驗(yàn)粒子，在初始寫入值后循環(huán)讀取各個(gè)寄存器響應(yīng)值，將本次響應(yīng)值與前次讀取的響應(yīng)值逐位比較，若值不一致則判定發(fā)生翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)數(shù)Ni計(jì)數(shù)一次并統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)位所在的寄存器位置，同時(shí)定期隨機(jī)寫入新的配置值，全面評(píng)估芯片實(shí)際工作時(shí)的翻轉(zhuǎn)情況。結(jié)合用戶輸入的粒子信息（粒子總注量φi和粒子入射角度θi），計(jì)算出單粒子事件截面σi以及粒子有效線性能量傳輸值LETeff,i(Linear Energy Transfer, LET)算法主要依據(jù)式(1)、(2)：

在i種(i≥5)粒子試驗(yàn)且Ni不為0的情況下，評(píng)估測(cè)量軟件使用三次樣條算法擬合出如圖5所示σi與LETeff,i的關(guān)系曲線，即在i-1個(gè)子區(qū)間內(nèi)存在樣條函數(shù)(f(x)=ax3+bx2+cx+d)，結(jié)合函數(shù)在區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)連續(xù)、邊界條件等聯(lián)立方程組，采用托馬斯法解關(guān)于三次樣條函數(shù)的“矩”的方程組的系數(shù)矩陣，得到各區(qū)間的三次樣條函數(shù)，依據(jù)樣條函數(shù)提取反應(yīng)單粒子事件敏感性的關(guān)鍵參數(shù)：?jiǎn)瘟Ｗ邮录柡徒孛姒襰at與LET閾值LETth，以便后續(xù)對(duì)空間軌道單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)估等研究[9-10]。

圖5 翻轉(zhuǎn)截面隨線性能量傳輸值曲線Fig.5 Saturated section vs. linear energy transfer.

1.4總劑量效應(yīng)評(píng)估

總劑量效應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)，程序提供上電、上電+固定碼值、上電+全碼遍歷三種偏置模式，長(zhǎng)距離試驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)DAC功能參數(shù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)在各劑量階段對(duì)DAC進(jìn)行全部參數(shù)短距離條件下的測(cè)量。在采集各數(shù)字邏輯對(duì)應(yīng)的模擬電壓輸出時(shí)，使用均值濾波算法，多采樣并剔除最大與最小電壓值，并對(duì)其余值取平均，分析DAC表征參數(shù)以及偏移量。部分表征參數(shù)提取程序框圖如圖6所示，對(duì)于N位DAC，微分非線性誤差(Differential Non Linearity, DNL)為式(4)中DNL(n)的最大值，代表實(shí)際量化臺(tái)階與對(duì)應(yīng)于1 LSB (Least Significant Bit)的理想值之間的最大差異，積分非線性誤差(Integral Non Linearity, INL)為DNL(n)的數(shù)學(xué)積分INL(n)的最大值[11-12]，INL(n)由式(5)給出，其中n為0-(2N-1)范圍內(nèi)數(shù)字碼值。

程序在不同測(cè)量項(xiàng)時(shí)，通過(guò)更改圖3中的ch、dut、busA/busB之間的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可快速滿足實(shí)際電信號(hào)連接需求。此外，在進(jìn)行DAC逐碼輸出電壓采集時(shí)，如圖7所示，高速數(shù)字I/O作為主設(shè)備，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀充當(dāng)從設(shè)備且處于可重觸發(fā)模式。主設(shè)備輸出時(shí)將它的開(kāi)始觸發(fā)信號(hào)通過(guò)PXI總線路由到從設(shè)備，從設(shè)備在收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)進(jìn)行單次采集，然后進(jìn)入下一次等待觸發(fā)的狀態(tài)，直到所有觸發(fā)結(jié)束后清除任務(wù)。該種工作方式能減少系統(tǒng)內(nèi)響應(yīng)延遲，同時(shí)保證數(shù)字信號(hào)輸出與模擬電壓采集的精準(zhǔn)同步，加快單次全參數(shù)自動(dòng)遍歷。

圖6 計(jì)算部分表征參數(shù)Fig.6 Calculation of partial characterization parameters.

圖7 同步與觸發(fā)Fig.7 Synchronization and trigger.

1.5系統(tǒng)實(shí)物

通過(guò)在PXI平臺(tái)上開(kāi)發(fā)抗輻照性能評(píng)估測(cè)量程序與設(shè)計(jì)應(yīng)用電路夾具，搭建出系統(tǒng)。評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)軟件是在專門為測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)而優(yōu)化的編程環(huán)境LabVIEW下完成的[13-15]，軟件用戶界面如圖8所示，左側(cè)部分為系統(tǒng)初始配置，包括儀器端口選定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑設(shè)置、被監(jiān)測(cè)芯片的試驗(yàn)配置等，右側(cè)部分則是評(píng)估監(jiān)測(cè)時(shí)的所有操作以及數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示窗口。圖9為系統(tǒng)硬件，包括模塊化儀器以及所設(shè)計(jì)的應(yīng)用電路夾具。

圖8 軟件用戶界面Fig.8 User interface of the software.

圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.9 Photograph of the physical system.

2 系統(tǒng)驗(yàn)證與應(yīng)用

2.1系統(tǒng)驗(yàn)證

電壓采樣精度是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精確度中極重要的一項(xiàng)指標(biāo)，使用標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行電壓輸出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與經(jīng)過(guò)計(jì)量校驗(yàn)的八位半數(shù)字多用表(Digital Multimeter, DM) Fluke 8508A進(jìn)行電壓采集，其中DM的測(cè)量分辨率為1 nV，將兩者的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，表明系統(tǒng)在±10 V量程范圍內(nèi)系統(tǒng)電壓采樣能識(shí)別出0.1 μV的抖動(dòng)，可滿足絕大部分高精度DAC的監(jiān)測(cè)需求。

表1 系統(tǒng)電壓測(cè)量精度比較Table 1 Comparison of the voltage measurement precision.

2.2系統(tǒng)應(yīng)用

使用研制的系統(tǒng)對(duì)自主研發(fā)的星載串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行抗輻射性能評(píng)估，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。該芯片使用SPI (Serial Peripheral Interface)協(xié)議進(jìn)行通信，串行接口速率高達(dá)10Mbit·s-1，實(shí)際工作時(shí)該芯片將串行同步碼流解碼后響應(yīng)其讀寫控制命令，配置相應(yīng)寄存器可設(shè)置12位DAC輸出電壓（輸出范圍為-2-0 V）。分別在蘭州HIRFL重離子加速器、北京HI-13串列加速器平臺(tái)上進(jìn)行單粒子鎖定與單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以及在中國(guó)計(jì)量院60Co γ源試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行總劑量試驗(yàn)。

圖10 芯片結(jié)構(gòu)Fig.10 Architecture of the chip.

2.2.1 單粒子效應(yīng)評(píng)估應(yīng)用

評(píng)估單粒子鎖定時(shí)，粒子源是LET值為99.8MeV·mg-1·cm2的209Bi31+，單次粒子總數(shù)為107cm-2。粒子打擊前評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)對(duì)DAC芯片進(jìn)行“上電+固定碼值”配置，使其全部功能開(kāi)啟。粒子打擊期間以50Hz的頻率監(jiān)測(cè)芯片正、負(fù)工作電流，得到如圖11所示數(shù)據(jù)，芯片正、負(fù)電流在正常值小幅度上下波動(dòng)并未出現(xiàn)突然性大幅度增長(zhǎng)，且未出現(xiàn)功能失效，可以推斷出該芯片未發(fā)生單粒子鎖定。

圖11 電流隨粒子打擊數(shù)的變化Fig.11The variation of current with the amount of single heavy ion.

進(jìn)行單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，綜合考慮芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求與有限的試驗(yàn)機(jī)時(shí)條件，選用如表2所示的重離子，所用重離子均滿足硅中射程大于30 μm且其LET值符合要求。對(duì)該款數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用翻轉(zhuǎn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)，從表2中可以看出，該款芯片在各重離子源照射下單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)較少，小于《宇航用半導(dǎo)體器件重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)指南》[16]中所規(guī)定的100次，滿足單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值不小于15MeV·mg-1·cm2的設(shè)計(jì)要求。該芯片的良好抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能得益于芯片內(nèi)移位寄存器的特殊加固設(shè)計(jì)：(1) 雙邊上電復(fù)位結(jié)構(gòu)；(2) 雙互鎖存儲(chǔ)單元的優(yōu)化，即輸入采用分離位線電路結(jié)構(gòu)，輸出采用三模冗余結(jié)構(gòu)并對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行冗余加固。

表2 單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)選用的重離子與結(jié)果Table 2 Heavy ions for single event upset experiment and the result.

2.2.2 總劑量效應(yīng)評(píng)估應(yīng)用

總劑量輻照時(shí)DAC芯片采用“上電+全碼遍歷”偏置，以0.5 Gy(Si)·s-1的劑量率照射至1000Gy(Si)，在試驗(yàn)完成后，使用相同的條件對(duì)DAC進(jìn)行室溫退火試驗(yàn)，研制的系統(tǒng)在各階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)單次測(cè)量全部功能、靜/動(dòng)態(tài)參數(shù)的時(shí)間為8s。如圖12所示，DAC的正、負(fù)工作電流隨著輻照總劑量的累積緩慢增加，照射前后正、負(fù)電流分別增大0.295 mA、0.303 mA，在室溫退火時(shí)正、負(fù)電流逐步回歸，最終輻照效應(yīng)導(dǎo)致的電流損傷變化在0.2mA內(nèi)，表明該芯片設(shè)計(jì)中使用環(huán)形柵結(jié)構(gòu)和版圖隔離技術(shù)改善總劑量效應(yīng)漏電的方法是有效的。圖13顯示DNL與INL輻照前后變化范圍在3LSB內(nèi)，將兩參數(shù)在退火后與輻照前的值相比較，發(fā)現(xiàn)變化幅度在1 LSB內(nèi)，表明芯片未發(fā)生功能失效且內(nèi)部譯碼電路未損傷。圖14為DAC在輻照前、后以及退火后的輸出曲線，可以發(fā)現(xiàn)輻照導(dǎo)致輸出曲線斜率發(fā)生微小改變，該變化是由DAC內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Vref輻照損傷漂移所致。此外，系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)測(cè)的增益誤差、失調(diào)誤差、信噪比等其他參數(shù)在輻照后、退火后的變化值，與評(píng)估要求值進(jìn)行逐一比較，發(fā)現(xiàn)該款DAC滿足抗總劑量效應(yīng)需求。

圖12 電流隨輻照總劑量(a)和退火時(shí)間(b)的變化Fig.12 The variation of current with total dose (a) and annealing time (b).

圖13 DNL與INL隨輻照總劑量(a)和退火時(shí)間(b)的變化Fig.13 The variation of DNL and INL with total dose (a) and annealing time (b).

圖14 DAC輸出函數(shù)Fig.14 Transfer function of the DAC.

2.2.3 高輻射劑量試驗(yàn)與系統(tǒng)應(yīng)用

此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，分別在單粒子效應(yīng)評(píng)估試驗(yàn)與總劑量效應(yīng)評(píng)估試驗(yàn)中采用高輻射劑量條件，使用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)芯片進(jìn)行輻照效應(yīng)監(jiān)測(cè)。單粒子效應(yīng)高輻射劑量條件為：粒子源為209Bi31+，單次試驗(yàn)粒子總數(shù)為3×107cm-2，其余試驗(yàn)條件保持不變，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖15所示，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中芯片負(fù)電流抖動(dòng)幅度為0.25mA，正電流抖動(dòng)幅度為0.14mA，未出現(xiàn)單粒子鎖定，而單粒子翻轉(zhuǎn)總計(jì)數(shù)隨著粒子打擊數(shù)而升高，最終結(jié)果高達(dá)452次，且系統(tǒng)軟件出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)數(shù)超出設(shè)定卡標(biāo)值的窗口提示；總劑量效應(yīng)高輻射劑量條件為：以0.5 Gy(Si)·s-1的劑量率照射至3 000 Gy(Si)，其余試驗(yàn)條件保持不變，系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，在輻照總劑量達(dá)2 000 Gy(Si)后，芯片電參數(shù)出現(xiàn)顯著惡化，最終輻照前后芯片正負(fù)電流分別增大0.984mA、1.232mA，DNL與INL輻照前后變化范圍分別在4LSB、7LSB內(nèi)，系統(tǒng)軟件在測(cè)量參數(shù)結(jié)果與設(shè)定的標(biāo)稱值進(jìn)行比較后，將數(shù)據(jù)與判定結(jié)果直觀輸出至前端用戶界面并進(jìn)行后臺(tái)存儲(chǔ)。

圖15 高劑量輻照條件下電流(a)與單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)的變化(b)Fig.15 Current (a) and single event upset numbers variation (b) on the condition of high dose radiation.

3 結(jié)語(yǔ)

本文在通用PXI平臺(tái)上，使用模塊化儀器與虛擬儀器技術(shù)，開(kāi)發(fā)程序以及設(shè)計(jì)應(yīng)用電路夾具，研制出了一套通用DAC抗輻射性能評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用開(kāi)爾文四線法和均值采樣算法實(shí)現(xiàn)了高精度監(jiān)測(cè)芯片電流與電壓，利用軟件配置矩陣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)測(cè)量項(xiàng)的全自動(dòng)切換，使用PXI總線同步與觸發(fā)模式控制達(dá)到了模塊化儀器間的高速響應(yīng)，并采用三次樣條算法準(zhǔn)確抽取出了反應(yīng)單粒子敏感性的關(guān)鍵參數(shù)。使用該系統(tǒng)對(duì)自主研發(fā)的星載數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行抗輻射性能評(píng)估，實(shí)際應(yīng)用表明，研制的系統(tǒng)能夠正確反映出DAC的抗輻射性能，為DAC等類似功能芯片輻照研究提供了一個(gè)良好的試驗(yàn)平臺(tái)。

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Development of radiation tolerance evaluation and measurement system for spaceborne D/A converter

LIU Xiaomin JIANG Huiqiang WANG Zhiyu LIU Tong CHEN Hua WANG Liping YU Faxin
(School of Aeronautics and Astronautics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Background:The digital to analog converter (DAC) used in space-borne electronic system is unavoidable to be affected by the radiation, and it is essential to evaluate the DAC performance before formal application.Purpose:This study aims to develop an automatic measurement system of high-accuracy and high-speed for radiation-tolerance evaluation of space-borne D/A converters.Methods:Based on the peripheral component interconnection extensions for instrumentation (PXI), Kelvin (4-wire) method and mean filtering algorithm are applied to accurately monitor the voltage and current of the DAC chip, and a switch matrix configured in software is adopted to automatically switch over measurements of different parameters. Meanwhile the PXI bus synchronization and trigger mode control are used to achieve high-speed response among modular instruments, and the cubic spline algorithm is performed to accurately extract the single event saturated cross section and linear energy transfer threshold.Results:The identified voltage precision is 0.1 μV, and the DAC monitoring precision is up to 24 bit. In single event effects evaluation, the monitoring frequency of current variation and register upset are 50 Hz and 100 Hz respectively, and for total dose effect evaluation, only 8-s ergodic time are needed to measure all characteristicparameters.Conclusion:The designed measurement system can evaluate the performance of space-born DAC fully automatically and efficiently with high precision, which is a reference solution to such similar research.

Digital to analog converter, Total ionizing dose, Single event effects, LabVIEW

LIU Xiaomin, male, born in 1991, graduated from Zhejiang University of Technology in 2014, master student, focusing on the integrated

CHEN Hua, E-mail: chenhua@zju.edu.cn

TL8

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.110401

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61401395、No.61604128)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(No.2016QNA4025、No.2016QN81002)、浙江省教育廳科研

項(xiàng)目(No.Y201533913)資助

劉小敏，男，1991年出生，2014年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)與測(cè)量

陳華，E-mail: chenhua@zju.edu.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.61401395, No.61604128), Basic Scientific Research Business Expenses of Central

University (No.2016QNA4025, No.2016QN81002), Zhejiang Provincial Department of Education Research Project Funding (No.Y201533913)

circuit design and measurement

2016-04-14，

2016-08-26